aplicação de nanofluidos no isolamento elétrico de transformadores
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APLICAÇÃO DE NANOFLUIDOS NO ISOLAMENTO ELÉTRICO DE TRANSFORMADORES – DETERMINAÇÃO DA SUPORTABILIDADE DIELÉTRICA DE UM FERROFLUIDO A IMPULSO ATMOSFÉRICO
Rafael de Almeida Garcia
Rio de Janeiro, RJ - Brasil
Agosto de 2014
Projeto de Graduação apresentado ao curso de
Engenharia Elétrica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessários à obtenção de grau de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Jorge Nemésio Sousa, M. Sc.
APLICAÇÃO DE NANOFLUIDOS NO ISOLAMENTO ELÉTRICO DE TRANSFORMADORES – DETERMINAÇÃO DA SUPORTABILIDADE DIELÉTRICA DE UM FERROFLUIDO A IMPULSO ATMOSFÉRICO
Rafael de Almeida Garcia
PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA
ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE
JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO
GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Examinada por:
_____________________________________ Prof. Jorge Nemésio Sousa, M. Sc.
(Orientador)
_____________________________________
Prof. Antonio Carlos Siqueira de Lima, D.Sc.
_____________________________________
Prof. Sebastião Ércules Melo de Oliveira, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
AGOSTO DE 2014
iii
Garcia, Rafael de Almeida
Aplicação de nanofluidos no isolamento elétrico de transformadores: determinação da suportabilidade dielétrica de um ferrofluido a impulso atmosférico / Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica / Departamento de Engenharia Elétrica, 2014.
XII, 80 p.: il. 29,7 cm.
Orientador: Jorge Nemésio Sousa Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica / Departamento de Engenharia Elétrica, 2014.
Referências Bibliográficas: p. 72 – 77.
1. Transformadores elétricos. 2. Isolamento elétrico. 3. Nanofluidos. 4. Ferrofluidos. 5. Suportabilidade dielétrica. 6. Equipamentos Elétricos.
I. Nemésio Sousa, Jorge. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro. III. Escola Politécnica. IV. Departamento de Engenharia Elétrica. V. Título
1
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como parte dos
requisitos para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
Aplicação de nanofluidos no isolamento elétrico de transformadores – Determinação da
suportabilidade dielétrica de um ferrofluido a impulso atmosférico
Rafael de Almeida Garcia
Agosto / 2014
Orientador: Jorge Nemésio Sousa
Curso: Engenharia Elétrica
Este trabalho visa estudar a interação de um ferrofluido - nanofluido composto de
nanopartículas ferromagnéticas (magnetita – Fe3O4), do ponto de vista dielétrico, em
um transformador. Para tal, será determinada a suportabilidade dielétrica do
ferrofluido para 4 situações (óleo isolante mineral e 3 concentrações distintas do
ferrofluido), aplicando-se ondas de impulso atmosférico padronizadas (1,2/50 µs).
Dentre os tópicos abordados nesse material, podem ser destacadas a utilização do
equipamento gerador de impulsos, a utilização da célula de ensaios e avaliação
estatística dos resultados.
As informações contidas neste trabalho foram coletadas da literatura vigente sobre o
assunto, publicações de fabricantes e sites especializados.
Palavras-Chave:1. Transformadores elétricos. 2. Isolamento elétrico. 3. Nanofluidos. 4.
Ferrofluidos. 5. Suportabilidade dielétrica. 6. Equipamentos Elétricos
2
Sumário
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 7
1.1 Apresentação ..................................................................................................... 7 1.2 Proposta ............................................................................................................. 7 1.3 Motivação ........................................................................................................... 8 1.4 Objetivo do estudo ............................................................................................. 8 1.5 Relevância do estudo ......................................................................................... 8 1.6 Limitações do estudo ......................................................................................... 9 1.7 Organização do estudo ...................................................................................... 9
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 11
2.1 Isolamento Elétrico ........................................................................................... 11 2.1.1 Dimensionamento do equipamento ........................................................... 14
2.1.1.1 Esforços de curto-circuito ................................................................... 15 2.1.1.2 Estresses no dielétrico ........................................................................ 17 2.1.1.3 Efeitos térmicos .................................................................................. 18
2.2 Isolantes gasosos ............................................................................................ 19 2.3 Isolantes líquidos ............................................................................................. 20
2.3.1 Óleo isolante mineral ................................................................................. 20 2.3.1.1 Ensaios em óleo isolante e seus significados ..................................... 22
2.4 Isolantes sólidos ............................................................................................... 25 2.4.1 Papel ......................................................................................................... 25 2.4.2 Cerâmicas .................................................................................................. 26
2.5 Nanofluidos ...................................................................................................... 27 2.5.1 Ferrofluidos ................................................................................................ 29 2.5.2 Magnetização ............................................................................................ 30
2.6 Geração da onda padrão 1,2/50 µs .................................................................. 33 2.6.1 Princípio de funcionamento ....................................................................... 36 2.6.2 Forma de onda para impulso atmosférico ................................................. 36 2.6.3 Principais componentes ............................................................................. 39
2.6.3.1 Resistor de frente de impulso ou resistor série (Rs) ........................... 39 2.6.3.2 Resistor de cauda de impulso ou resistor paralelo (Rp) ..................... 40 2.6.3.3 Capacitância do gerador de impulso (CS) .......................................... 40 2.6.3.4 Capacitor de frente (Cf) ...................................................................... 40 2.6.3.5 Capacitância do objeto sob ensaio (Cie) ............................................ 41 2.6.3.6 Capacitância do divisor de tensão (Cdt) ............................................. 41
2.6.4 Polaridade positiva e negativa da onda de impulso pleno ......................... 42 2.6.4.1 Polaridade positiva .............................................................................. 43 2.6.4.2 Polaridade negativa ............................................................................ 43
3. METODOLOGIA DE PESQUISA .......................................................................... 44
3.1 Delineamento de pesquisa ............................................................................... 44 3.2 Definição de pesquisa ...................................................................................... 44 3.3 Classificação e tipos de pesquisa .................................................................... 45
3
4. PESQUISA REALIZADA ....................................................................................... 50
4.1 Objetivo ............................................................................................................ 50 4.2 Procedimento para obtenção da suportabilidade dielétrica do nanofluido ....... 50 4.3 Método de acréscimo e decréscimo (up & down) ............................................ 54 4.4 Tratamento estatítico dos resultados dos ensaios ........................................... 56
4.4.1 Média aritmética ........................................................................................ 56 4.4.2 Variância populacional ............................................................................... 57 4.4.3 Desvio padrão populacional ....................................................................... 57 4.4.4 Coeficiente de variação populacional ........................................................ 57
4.5 Análie dos resultados ....................................................................................... 58 4.5.1 Óleo isolante mineral ................................................................................. 58
4.5.1.1 Polaridade positiva .............................................................................. 58 4.5.1.2 Polaridade negativa ............................................................................ 59
4.5.2 Ferrofluido 1 ............................................................................................... 60 4.5.2.1 Polaridade positiva .............................................................................. 60 4.5.2.2 Polaridade negativa ............................................................................ 61
4.5.3 Ferrofluido 2 ............................................................................................... 62 4.5.3.1 Polaridade positiva .............................................................................. 62 4.5.3.2 Polaridade negativa ............................................................................ 63
4.5.4 Ferrofluido 3 ............................................................................................... 64 4.5.4.1 Polaridade positiva .............................................................................. 64 4.5.4.2 Polaridade negativa ............................................................................ 65
4.6 Síntese dos resultados ..................................................................................... 66
5. CONCLUSÕES ..................................................................................................... 70
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 72
4
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Representação esquemática da isolação elétrica [5] ......................................... 12
Figura 2.2: Representação das Correntes na Isolação [5] ............................................... 1313
Figura 2.3: Forças verticais entre os enrolamentos de alta e baixa tensão em um
transformador de núcleo envolvido exposto a um curto circuito [6]. ..................................... 16
Figura 2.4: Força de repulsão horizontal (radial) entre os enrolamentos de alta e baixa
tensão em um transformador de núcleo envolvido exposto a um curto circuito [6] ............... 17
Figura 2.5: Nanopartículas misturadas ao surfactante com o seu domínio (MD) de
magnetização orientado na mesma direção e sentido ao campo magnético aplicado [31]. .. 29
Figura 2.6: Esquemática do modelo do transformador utilizado no experimento e as forças
atuantes no fluido [33] .......................................................................................................... 31
Figura 2.7: Localização dos termopares dentro do transformador utilizado no experimento
[33] ...................................................................................................................................... 32
Figura 2.8: Gerador de impulso de Marx com 4 estágios [43] .............................................. 34
Figura 2.9: Circuito equivalente do gerador de impulsos [42] ............................................... 34
Figura 2.10: Gerador de Impulsos do LabDig [42] ................................................................ 36
Figura 2.11: Onda plena de impulso atmosférico 1,2/50 µs [40] ........................................... 37
Figura 2.12: Curvas exponenciais −e [41] ........................................................... 38
Figura 2.13: Circuito de medição utilizado durante os experimentos .................................... 41
Figura 4.1: Célula de ensaio utilizada, CEPEL [42] .............................................................. 51
Figura 4.2: Parte superior da célula de ensaio, estrutura de teflon, acrílico e metal com
eletrodo (agulha). CEPEL [42] ............................................................................................. 52
Figura 4.3: Parte inferior da célula de ensaio, estrutura de teflon e eletrodo (esfera). Cepel
[42] ...................................................................................................................................... 52
Figura 4.4: Célula para ensaios de acordo com a norma ASTM [1] ..................................... 53
Figura 4.5: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade positiva no OIM ........................ 58
Figura 4.6: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade negativa no OIM ....................... 59
Figura 4.7: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade positiva no Ferrofluido 1 ........... 60
Figura 4.8: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade negativa no Ferrofluido 1 .......... 61
Figura 4.9: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade positiva no Ferrofluido 2 ........... 62
Figura 4.10: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade negativa no Ferrofluido 2 ........ 63
Figura 4.11: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade positiva no Ferrofluido 3 ......... 64
Figura 4.12: Gráfico da aplicação do impulso de polaridade negativa no Ferrofluido 3 ........ 65
Figura 4.13: Gráfico da suportabilidade dielétrica dos fluidos submetidos a aplicações de
impulsos atmosféricos de polaridade negativa ..................................................................... 68
5
Figura 4.14: Gráfico da suportabilidade dielétrica dos fluidos submetidos a aplicações de
impulsos atmosféricos de polaridade positiva ...................................................................... 69
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Classificação Térmica de Materiais Isolantes [4]. .............................................. 14
Tabela 2.2: Especificação dos óleos minerais isolantes tipo A e tipo B [10]. ........................ 22
Tabela 2.3: Características dos Métodos de Ensaio de Rigidez Dielétrica de Óleo [22] ....... 24
Tabela 2.4: Siglas e valores dos componentes do divisor de tensão ................................... 41
Tabela 4.1: Probabilidades de descarga em ensaio de acréscimo e decréscimo [2] ............ 55
Tabela 4.2: Dados estatísticos para OIM submetido a impulso atmosférico de polaridade
positiva ................................................................................................................................ 59
Tabela 4.3: Dados estatísticos para OIM submetido a impulso atmosférico de polaridade
negativa ............................................................................................................................... 60
Tabela 4.4: Dados estatísticos para ferrofluido 1 submetido a impulso atmosférico de
polaridade positiva ............................................................................................................... 61
Tabela 4.5: Dados estatísticos para ferrofluido 1 submetido a impulso atmosférico de
polaridade negativa ............................................................................................................. 62
Tabela 4.6: Dados estatísticos para ferrofluido 2 submetido a impulso atmosférico de
polaridade positiva ............................................................................................................... 63
Tabela 4.7: Dados estatísticos para ferrofluido 2 submetido a impulso atmosférico de
polaridade negativa ............................................................................................................. 64
Tabela 4.8: Dados estatísticos para ferrofluido 3 submetido a impulso atmosférico de
polaridade positiva ............................................................................................................... 65
Tabela 4.9: Dados estatísticos para ferrofluido 3 submetido a impulso atmosférico de
polaridade negativa ............................................................................................................. 66
Tabela 4.10: Tabela completa com todos os resultados dos ensaios ................................... 67
6
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
°C grau Celsius – Unidade de temperatura
Ω Ohm – Unidade de resistência
A Ampère – Unidade de corrente elétrica
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
AC ou CA Corrente alternada
ANSI American National Standards Institute
ASTM American Society for Testing and Materials
atm. Atmosfera – Unidade de pressão
bar Bar – Unidade de pressão correspondente a 0,987 atm
DC ou CC Corrente contínua
Hz Hertz – Unidade de frequência
kHz Quilohertz - Unidade de frequência – 10³ Hz
MHz Megahertz - Unidade de frequência – 106 Hz
IEC International Electrotechnical Commission
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
SF6 Hexafluoreto de enxofre
V Volt – Unidade de tensão elétrica
W Watt – Unidade de medida de potência
pH Potencial de hidrogênio. Indica acidez, neutralidade ou
alcalinidade da solução.
OIM Óleo isolante mineral
FF Óleo isolante mineral com nanopartículas ou ferrofluido
Cepel Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
LabDig Laboratório de Diagnóstico de Equipamentos Elétricos
p.u. Sistema por unidade
7
1. INTRODUÇÃO
1.1 Apresentação
O trabalho descreve resultados do estudo de suportabilidade dielétrica de isolantes
líquidos - óleo isolante mineral e três concentrações diferentes de ferrofluidos ou
nanofluidos, que são óleos isolantes minerais com nanopartículas de magnetita - à
aplicação de ondas plenas de impulso atmosférico padronizadas (1,2/50 µs) geradas
em laboratório. Foi realizado a partir de um estudo estatístico para a determinação
da tensão de ruptura do dielétrico.
1.2 Proposta
O estudo teve por objetivo testar a viabilidade do uso de um ferrofluido em
transformadores como possível substituto ao isolante normalmente empregado, o
óleo isolante mineral naftênico.
A considerar ainda o objetivo de aprofundar os conhecimentos na área de
equipamentos elétricos, isolantes utilizados em transformadores elétricos e o uso de
ferrofluidos como líquidos isolantes em transformadores.
Os ensaios, realizados no LabDig - Laboratório de Diagnósticos de Equipamentos
Elétricos do Cepel - Centro de Pesquisa de Energia Elétrica, seguiram as normas
regentes sobre o assunto: ASTM D3300-00 [1] e ABNT NBR IEC 60060-1:2013 [2].
Foram testados quatro tipos de fluidos: óleo isolante mineral naftênico da Petrobras
AV60IN; e ferrofluido 1, ferrofluido 2 e ferrofluido 3, com concentrações de
nanopartículas ferromagnéticas diferentes. O ferrofluido 2 possui metade da
concentração do ferrofluido 1; e o ferrofluido 3, metade da concentração do
ferrofluido 2. Os fluidos foram ensaiados sob impulso atmosférico de onda plena
(1,2/50 µs), para verificação de sua suportabilidade dielétrica.
8
1.3 Motivação
O trabalho foi motivado pela possibilidade de utilização de ferrofluidos como isolante
em transformadores. A partir dos ensaios, foi analisada a probabilidade do ferrofluido
se tornar um substituto viável ao óleo isolante mineral. Nesta análise foram
observados o aspecto econômico, a eficácia na transferência de calor (refrigeração
do transformador) e sua capacidade de isolamento. Caso o ferrofluido também
apresente, nos ensaios de alta tensão, desempenho aceitável sob o ponto de vista
dielétrico, este poderá ser avaliado como um possível substituto para o óleo isolante
mineral.
Espera-se que este projeto possa servir como referência na área de aplicação de
alta tensão e suportabilidade dielétrica dos ferrofluidos quando submetidos a
impulsos atmosféricos.
1.4 Objetivo do Estudo
Como o objetivo deste trabalho foi analisar a viabilidade do uso de ferrofluidos como
líquido isolante em transformadores de potência, era necessário determinar a sua
suportabilidade dielétrica comparando-se quatro situações: a de referência (óleo
normal) e as relativas a três concentrações distintas de um ferrofluido. A
metodologia utilizada na avaliação foi definida em consonância com as normas
citadas, resultando na aplicação de ondas de impulso atmosférico padronizadas
(1,2/50 µs), com início em 60 kV e, pelo menos, 3 aplicações em cada caso, sendo
que um deles envolve descarga disruptiva, em degraus de 10 kV. Os resultados
foram tratados estatisticamente.
1.5 Relevância do estudo
Resultados positivos nos ensaios podem levar ao desenvolvimento de projetos de
transformadores mais leves, bem como o aumento da capacidade de carga dos
equipamentos atuais.
9
Este estudo apresenta característica inovadora para o Cepel, uma vez que poucos
centros de pesquisa possuem a tecnologia e a disponibilidade de equipamentos de
alta tensão apropriados para realização dos ensaios.
1.6 Limitações do Estudo
A melhoria das características de refrigeração de um ferrofluido é conseguida com a
maior adição das nanopartículas. Porém, há um limite que, se ultrapassado, pode
resultar em redução ou perda total do poder dielétrico do fluido. Esta região de
equilíbrio ainda é objeto de pesquisa.
Além da região de equilíbrio ser desconhecida, existem outras limitações como o
uso de modelo reduzido (célula de ensaio): (i) disponibilidade de número limitado de
amostras de Óleo Isolante Mineral (OIM) e dos ferrofluidos, levando-se em conta o
custo, tempo de fabricação e a disponibilidade do laboratório de química do Cepel
para a sua produção; (ii) e o comportamento desconhecido do ferrofluido sob tensão
impulsiva.
Além das características acima referidas, o ferrofluido necessita de uma avaliação
físico-química (ponto de fulgor, viscosidade, interação com os outros materiais
isolantes como o papel, densidade, ponto de fluidez etc.) para determinar se sua
utilização em transformadores pode ser viabilizada.
1.7 Organização do Estudo
O presente trabalho está organizado em 5 capítulos, compostos da seguinte
maneira:
Capítulo 1 – INTRODUÇÃO: apresenta os aspectos gerais dos assuntos
contemplados no estudo, incluindo a proposta, a motivação, as considerações
iniciais, o objetivo, a relevância e as limitações do estudo.
10
Capítulo 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA: apresenta o conteúdo teórico
necessário para compreensão do trabalho como um todo, tendo como referência a
literatura vigente sobre o assunto.
Capítulo 3 – METODOLOGIA DE PESQUISA: descreve as etapas de
elaboração do estudo, fundamenta e descreve a metodologia utilizada na pesquisa,
classificando-a segundo sua natureza, objetivos e procedimentos técnicos,
especificando o que foi realizado para a sua elaboração.
Capítulo 4 – PESQUISA REALIZADA: descreve todo o procedimento que foi
realizado em laboratório durante a pesquisa e os seus respectivos resultados.
Capítulo 5 – CONCLUSÃO: apresenta uma análise conclusiva a respeito do
trabalho desenvolvido e comentários a ele relacionados.
11
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Isolamento Elétrico
O transformador é um equipamento de operação estática que por meio de indução
eletromagnética transfere energia de um circuito, chamado primário, para um ou
mais circuitos denominados, respectivamente, secundário e terciário, sendo, no
entanto, mantida a mesma frequência, porém com tensões e correntes diferentes [3].
A disponibilidade de energia elétrica é indispensável para uma boa qualidade de
vida. Nesse contexto temos, a geração, transmissão e distribuição de energia
elétrica, que forma o sistema elétrico como um todo. O transformador elétrico, pelas
suas características construtivas, possui alto rendimento e baixas perdas e é um
equipamento essencial para que esse sistema funcione em perfeitas condições.
Na parte interna do transformador elétrico há o núcleo, composto por material
ferromagnético, enrolamentos feitos de cobre ou alumínio, e algum tipo de material
dielétrico de característica isolante (óleo isolante, papel, silicone, epóxi, SF6 -
hexafluoreto de enxofre etc.). Segundo a ABNT IEC 60085/2012 [4], o Material
Isolante Elétrico (MIE), é um sólido com baixa condutividade elétrica, ou uma
simples combinação desses materiais, usado para separar partes condutoras de
diferentes potenciais elétricos em equipamentos elétricos. O termo ‘material isolante’
pode ser usado, de forma mais ampla, para também designar os líquidos e gases
isolantes. Um sistema isolante contendo um ou mais MIE e/ou combinações simples
destes, associados com partes condutoras, utilizado em equipamentos elétricos é
conhecido como um Sistema Isolante Elétrico (SIE). O material isolante pode
desempenhar duas funções distintas: dissipação de calor e a criação de um meio
isolante entre as partes ativas do transformador.
O isolamento elétrico possui uma representação esquemática na literatura regente
[5]. O circuito representativo de um sistema de isolação real (Figura 2.1) é
constituído por uma resistência (R1) em série com um capacitor (C), ambos em
paralelo com outra resistência (R2). Quando este circuito é alimentado por uma fonte
12
de corrente alternada, no ramo do capacitor circulará uma corrente Ic denominada de
corrente de carga, que estará adiantada de 90º em relação à tensão aplicada ao
circuito. Pelo ramo da resistência R2 circulará uma corrente chamada de Ir em fase
com a tensão aplicada, originando fuga de potência ativa através da isolação
manifestando se pelo aquecimento devido ao efeito Joule.
Figura 2.1: Representação esquemática da isolação elétrica [5]
Componentes do circuito acima e seus significados:
• C – representa a capacitância da isolação
• R1 – resistência que corresponde às perdas dielétricas da isolação - I ∗ R
• R2 – resistência do isolamento
• IR – corrente de fuga da isolação que atravessa a resistência R2
• IC – corrente de carga que atravessa a capacitância C e a resistência R1
Para dielétricos reais em bom estado, a resistência R1 é considerada como
desprezível e a corrente que circula pelo ramo da capacitância (IC) pode ser
considerada capacitiva e, portanto, defasada de 90º da tensão aplicada V. A relação
(IR/IC) é denominada de fator de perdas dielétricas ou fator de dissipação, e
apresentará valores crescentes com a degeneração do dielétrico, sendo utilizada
para determinar a qualidade da isolação.
Pela Figura 2.2 pode se notar a disposição das correntes e a tensão aplicada ao
circuito da Figura 2.1. A tg δ, por definição é considerada o fator de perdas da
isolação e é representada pela relação IR/IC. O fator de potência da instalação
elétrica é cos φ, e representa a defasagem angular entre a corrente e a tensão. Da
trigonometria, sabe-se que quando o ângulo é muito pequeno (menor que 5º) o seno
13
deste ângulo é igual a sua tangente, então, cos φ = sen (90 - φ) = sen δ = tg δ. A
partir desses dados, pode se concluir que o fator de potência do isolamento é
aproximadamente igual ao fator de perdas da isolação.
Figura 1.2: Representação das Correntes na Isolação [5]
Segundo NEMÉSIO SOUSA (2013), as substâncias isolantes podem ser dividas
quanto à sua natureza ou segundo as suas classes de temperatura. Analisando a
sua natureza, elas podem ser classificadas como: (i) gases (ar natural e comprimido,
azoto, SF6); (ii) líquidos (óleos minerais, dielétricos sintéticos, óleos vegetais,
solventes empregados nos vernizes e compostos isolantes); (iii) sólidos aplicados
em estado líquido ou pastoso (resinas e plásticos naturais, materiais asfálticos,
goma laca, ceras, vernizes e lacas, esmaltes, resinas sintéticas, borracha sintética,
silicone, compostos de celulose, acetato de celulose, plástico moldados a frio); (iv)
sólidos (minerais, cerâmicas, porcelana, vidro, materiais da classe da borracha,
materiais fibrosos, algodão, papel, papel de mica e de vidro, madeira, celofane).
A temperatura, juntamente com a oxidação e umidade, são os principais fatores que
aceleram o envelhecimento dos materiais isolantes elétricos. A partir desse
conhecimento, foram definidas classes térmicas básicas reconhecidas
internacionalmente. A classe térmica representa a temperatura máxima (em ºC) para
o qual o MIE/SIE é apropriado. A Tabela 2.1 apresenta a classificação térmica
(classe térmica), expressa em graus Celsius (ºC), de materiais isolantes elétricos
(MIE).
14
Tabela 2.1: Classificação Térmica de Materiais Isolantes [4].
DTR1 (ºC) Classe Térmica Designação
Anterior (IEC 60085:2004)
DTR < 90 70 90 ≤ DTR < 105 90 Y 105 ≤ DTR < 120 105 A 120 ≤ DTR < 130 120 E
130 ≤ DTR < 155 130 B 155 ≤ DTR < 180 155 F 180 ≤ DTR < 200 180 H 200 ≤ DTR < 220 200 N 220 ≤ DTR < 250 220 R
DTR ≥ 250 250 C
A escolha correta do isolante que será empregado no transformador elétrico não
depende somente se este possui propriedades elétricas (rigidez dielétrica, baixas
perdas e alta resistividade) superiores a outros. Suas propriedades físicas e
químicas têm que ser avaliadas para o tipo de serviço solicitado.
Quanto ao meio isolante os transformadores elétricos são divididos em dois grandes
grupos: transformadores em líquido isolante e transformadores a seco. Os
transformadores em líquido isolante são utilizados em sistemas de distribuição, força
e plantas industriais. Os líquidos isolantes que são utilizados são óleo mineral e
sintéticos. Os transformadores a seco são equipamentos de uso específico, por
possuírem custo elevado se comparados com os transformadores de líquido isolante
[3]. Sua utilização é direcionada a locais onde o risco de incêndio ou explosões é
elevado (refinarias de petróleo, indústrias petroquímicas, grandes centros
comerciais).
2.1.1 Dimensionamento do equipamento
1 DTR – Durabilidade Térmica Relativa: valor numérico da temperatura (em ºC) no qual o tempo estimado para o ponto final do material candidato é o mesmo tempo estimado para o ponto final do material de referência, que é o DTE – Durabilidade Térmica Estimada, isto é, o valor numérico de temperatura (em ºC) para o qual o material de referência possui desempenho satisfatório conhecido em serviço, para a aplicação especificada.
15
Os transformadores de potência estão entre os componentes de maior porte e valor
onde são instalados (usinas, subestações etc.). A ocorrência de qualquer tipo de
falha nesse equipamento, gera transtornos operacionais e financeiros elevados,
visto que, possuem custo de aquisição elevado, nem sempre se dispõe de uma
unidade reserva, são equipamentos voltados para uso muito específico e
apresentam prazos longos na sua fabricação, transporte e eventuais serviços de
reparos.
Para minimizar a ocorrência de falhas neste tipo de equipamento, este deve ser
dimensionado corretamente levando em conta a sua aplicação. Existem fatores que
determinam o dimensionamento do transformador de potência. Esses fatores são de
característica térmica: efeitos térmicos suportáveis pelo isolamento; mecânica:
esforços de curto-circuito aos quais o equipamento será exposto ao longo de sua
vida útil; química e elétrica: estresses ao qual o dielétrico será exposto [6].
2.1.1.1 Esforços de curto-circuito
Durante a sua vida útil, os enrolamentos de transformadores são regularmente
solicitados mecanicamente. Estas solicitações são de origem elétrica, motivo pelo
qual as bobinas são montadas e prensadas de forma que se extraia a maior
resistência mecânica do conjunto.
Além dos esforços normais de operação, o transformador está sujeito a esforços
eletrodinâmicos de grande intensidade devido a curtos-circuitos no sistema por ele
alimentado. A principal causa de falha de um transformador que tenha sido afetado
por um curto-circuito não está diretamente ligado a danos térmicos à isolação, mas
sim aos danos mecânicos transmitidos aos enrolamentos [3]. As forças mecânicas
que atuam no transformador durante um curto-circuito são diretamente proporcionais
à potência nominal do transformador. Essas forças, de origem eletromagnética e que
podem ser verticais ou horizontais, geram interações entre os enrolamentos.
A força vertical, também chamada de axial, faz com que os enrolamentos de baixa
tensão e os de alta tensão se desloquem uns aos outros, e isto se chama
‘telescoping’ (Figura 2.3). Essas forças fazem com que os enrolamentos assumam
16
posições que aumentam o fluxo magnético do sistema. Caso dois enrolamentos
estejam em série, a força eletromagnética varia com o quadrado da corrente.
Embora a força horizontal, conhecida como radial, seja a mais forte (Figura 2.4), a
força vertical gera maiores preocupações durante a fabricação e design do
transformador devido à sua complexidade.
Figura 2.2: Forças verticais entre os enrolamentos de alta e baixa tensão em um transformador de núcleo envolvido exposto a um curto-circuito [6].
17
Figura 2.3: Força de repulsão horizontal (radial) entre os enrolamentos de alta e baixa tensão em um transformador de núcleo envolvido exposto a um curto-circuito
[6]
Os dados referentes à suportabilidade do transformador aos fenômenos como o
curto-circuito são definidos pelo fabricante, a partir de normas que estabelecem os
limites máximos de sua amplitude e duração. Portanto, em função do tipo de falha, o
sistema ao qual o transformador foi conectado e as proteções utilizadas, durante a
ocorrência de uma falha no sistema, estes limites podem ser facilmente excedidos.
Os esforços ao qual o transformador será submetido provocam deformações nos
enrolamentos. Do ponto de vista mecânico, essas deformações podem ser divididas
em dois grupos: (i) deformações elásticas que são reversíveis e não implicam em
mudança estrutural das bobinas. Esse tipo de deformação não deve trazer
implicações ao funcionamento do transformador; (ii) deformações plásticas que são
mecanicamente irreversíveis, provocando a alteração permanente da estrutura dos
condutores, bem como o deslocamento e quebra de suportes isolantes e calços.
Neste caso há deformação das bobinas, fragilização do sistema isolante por atrito e
esforços mecânicos, podendo resultar em curto-circuito entre espiras [7].
18
2.1.1.2 Solicitações no dielétrico
Os estresses no dielétrico do transformador são causados por sobretensões,
fenômenos transitórios que aumentam a solicitação dielétrica dos materiais isolantes
dos enrolamentos, podendo causar danos irreversíveis, caso excedam os limites de
suportabilidade previstos. O dano principal causado pela sobretensão se caracteriza
pela formação de arco elétrico na parte interna do transformador, sendo que os
principais tipos de sobretensão podem ser divididos em [7]:
• Sobretensões de manobra são causadas por: energização e
reenergização da linha, ocorrência e extinção de faltas, manobra de
cargas capacitivas ou de banco de capacitores, e manobra de cargas
indutivas (transformadores e reatores). Para efeitos de norma, são
ensaiadas por ondas de 250/2500 µs (ABNT/IEC) de frequência
elevada, que podem atingir níveis expressivos de magnitude (até 4
p.u.). As condições de chaveamento e a configuração do sistema ao
qual o transformador está conectado influenciam diretamente na
duração e na magnitude desse tipo de surto. Os danos ao
transformador causados por esse tipo de sobretensão podem ocorrer
no início do enrolamento (devido à própria característica da frente de
onda) ou entre partes da bobina em pontos diversos do enrolamento
(devido à manifestação do efeito ressonante), podendo haver ruptura
do dielétrico.
• Sobretensões transitórias muito rápidas (Very Fast Transient – VFT)
são eventos de ocorrência mais comum em sistemas isolados com
SF6, conhecidos como Gas Insulated Substation (GIS). São
caracterizadas por frentes de onda muito rápidas (da ordem de
nanosegundos), possuem frequências muito elevadas (kHz a MHz) e
amplitude típica de 1,5 a 2,5 p.u. Os VFT são consequência de
mudanças instantâneas na tensão da GIS, que são causadas por
ocorrência de faltas e operação de dispositivos de manobra. De uma
forma geral, pode-se dizer que os VFT e as sobretensões de manobra
afetam de forma semelhante os enrolamentos do transformador.
• Sobretensões por descarga atmosférica (surtos atmosféricos) podem
ocorrer em função de uma descarga direta em um terminal do
19
transformador ou pela limitação das proteções instaladas nas linhas.
Este tipo de sobretensão é ensaiado em laboratório utilizando ondas
de 1,2/50 µs (ABNT/IEC/ANSI) conhecidas como ondas plenas. Os
danos causados por esse tipo de sobretensão podem se dar a partir
da ruptura da isolação entre espiras de um mesmo enrolamento,
normalmente próximo ao terminal; entre bobinas; ou até mesmo contra
partes aterradas, como o núcleo e partes do tanque.
2.1.1.3 Efeitos Térmicos A potência nominal do transformador de potência está diretamente ligada à sua
capacidade de refrigeração interna de seus componentes. Quanto maior for a sua
potência nominal, mais complexo será o seu sistema de refrigeração. O sistema de
refrigeração pode ser passivo, utilizando somente o poder de convecção do óleo
isolante mineral e radiadores externos para dissipação de calor; ou pode ser ativo,
utilizando um sistema de bombas para realizar um movimento interno do óleo mais
eficaz.
Ao longo de sua vida útil, os enrolamentos do transformador serão solicitados
termicamente, devido a sua operação normal e eventuais falhas no sistema as quais
poderão gerar curtos-circuitos. Essa solicitação térmica possui efeito direto na
isolação do equipamento, causando desgaste tanto no isolante líquido (óleo) quanto
no sólido (celulose). O desgaste do isolamento pode ser caracterizado pela
diminuição da sua rigidez dielétrica e perda da resistência mecânica.
2.2 Isolantes Gasosos
O isolante gasoso em maior utilização é o ar, porém em situações especiais utiliza-
se o SF6. Os motivos principais para utilizar o SF6 ao invés de um isolante líquido
são: não é tóxico, inflamável e explosivo; não reage com outros componentes do
transformador; apresenta estabilidade na faixa de operação e preço aceitável.
20
Características do SF6:
• Peso molecular: 146,05
• Condutividade térmica à pressão atmosférica: 1,4 W/cmK a 40ºC
• Viscosidade (em CP) à pressão atmosférica: 0,015 a 25ºC
• Capacidade de ruptura: 100 A à 1 atm. de pressão
• Fator de perdas: tg δ < 10-3 a -50ºC
tg δ < 2 x 10-7 a 25ºC
• Tensão de ruptura: 125 kV a 2 atmosferas de pressão com afastamento de 10
mm.
A utilização do hexafluoreto de enxofre como isolante se torna uma solução quando
sistemas que utilizam óleo como isolante não são permitidos por causa do risco de
incêndio e quando sistemas que utilizam ar não são factíveis por causa de seu
tamanho e potência [6].
2.3 Isolantes Líquidos
2.3.1 Óleo Isolante Mineral
Os isolantes líquidos desempenham quatro papéis fundamentais quando utilizados
em transformadores elétricos. O primeiro papel é o de refrigeração, pois o isolante
líquido retira o calor das partes condutoras e o transmite ao radiador ou para as
paredes do tanque, mantendo assim níveis admissíveis de temperatura interna. O
segundo papel é o de isolação das partes condutoras. O terceiro, é a sua
capacidade de preencher os espaços vazios da isolação, ajudando assim a
preservar o conjunto núcleo e enrolamento. Segundo NEMÉSIO SOUSA (2013) esta
função do óleo isolante é chamada de 'barreira de proteção ao isolamento sólido
estrutural do transformador'. O quarto papel está em minimizar o contato do oxigênio
com a celulose e outros materiais susceptíveis à oxidação. O isolante líquido de
maior utilização pela indústria de equipamentos elétricos é o óleo de origem mineral.
21
O óleo mineral é produzido a partir do petróleo e outros produtos sedimentares,
sendo basicamente uma mistura de hidrocarbonetos. Sua composição depende de
onde foi extraído, possui coloração preto-azulada ou marrom e cheiro desagradável.
Os óleos minerais passam por um processo rigoroso de purificação (refino), e seu
uso se concentra em transformadores, disjuntores, cabos, capacitores e chaves a
óleo. Por serem usados pelas suas características dielétricas e pela sua capacidade
de transmissão de calor, necessitam ser altamente estáveis, ter baixa viscosidade
(óleos densos causariam problemas na refrigeração de transformadores elétricos a
partir das variações de sua temperatura de operação), estarem livres de impurezas,
tais como umidade, poeira e partículas, e devem possuir um poder dielétrico superior
a 118,1 kV/cm, de acordo com a norma NBR 6869 [8].
No uso de equipamentos com óleo mineral, uma das providências de manutenção é
uma sistemática verificação da tensão de ruptura (rigidez dielétrica), face à
possibilidade de um envelhecimento anormal, relativamente rápido. Como resultado,
os próprios sistemas de planejamento manutenção preveem a retirada periódica de
amostras de óleo, e a verificação de suas características isolantes. Dependendo do
valor obtido, é necessário aplicar processos de recondicionamento e regeneração
ou, em caso extremo, fazer a substituição do óleo envelhecido por outro novo [9] [5].
A deterioração do óleo pode ocorrer por diversas razões: como resultado das
solicitações térmicas (ação da temperatura), oxidativas (ação do oxigênio) e
hidrolíticas (ação da umidade); e devido ao contato com outros componentes
estruturais, principalmente metálicos. Resultante desses processos, surgem líquidos,
sólidos e gases que influenciam negativamente as propriedades do óleo,
necessitando, assim serem eliminados por processos distintos como
recondicionamento e regeneração, por exemplo.
Existem dois tipos de óleos minerais isolantes sendo empregados atualmente no
Brasil. Óleo tipo A (predominância naftênica) e o óleo tipo B (predominância
parafínica). O óleo tipo A é utilizado em transformadores e equipamento de manobra
em qualquer classe de tensão. O óleo tipo B é utilizado em transformadores até a
22
classe de tensão de 145 kV. As suas características principais estão apresentadas
na Tabela 2.2.
Tabela 2.2: Especificação dos óleos minerais isolantes tipo A e tipo B [10].
Característica Unidade Óleo tipo A (naftênico)
Óleo tipo B (parafínico)
Aspecto - Claro, limpo, isento de material em suspensão ou sedimentado
Cor - 1,0
Massa específica a 20ºC kg/m³ 861 – 900 860 máx.
Viscosidade a 20ºC mm²/s 25,0 máx.
Ponto de fulgor ºC 140 mín.
Ponto de fluidez ºC -39 máx. -12 máx.
Índice de neutralização mg KOH/g 0,03 máx.
Enxofre corrosivo - Não corrosivo
Enxofre total % massa - 0,30 máx.
Fator de potência a 25ºC % 0,05 máx.
Rigidez dielétrica - Eletrodo de disco - Eletrodo de calota
kV
30 mín. 42 mín.
Rigidez Dielétrica a impulso (Eletrodos
agulha/esfera) kV
145 mín. -
Tensão interfacial a 25ºC mN/m 40 mín.
2.3.1.1 Ensaios em Óleo Isolante e seus Significado s
Seguem os principais ensaios físico-químicos em óleo isolante, suas descrições e
significados.
• Cor – A cor de um óleo isolante é determinada pela luz transmitida e é
expressa por um valor numérico baseado na comparação com uma série de
padrões de cores. Um número de cor que aumenta rapidamente ou muito alto
pode ser uma indicação de deterioração, contaminação ou oxidação do óleo
[11].
23
• Massa específica – É a razão entre a massa de uma porção compacta e
homogênea de uma substância e o volume ocupado por ela. A massa
específica não é afetada pela deterioração do óleo.
• Viscosidade – É a resistência do óleo em fluir. Óleos destinados para uso em
transformadores possuem viscosidade baixa. A viscosidade é afetada
diretamente pela temperatura, envelhecimento e oxidação do óleo que
tendem a aumentá-la afetando a eficiência da refrigeração do equipamento.
Valores típicos segunda a norma ABNT NBR 10441 [12]:
25 x 10-6 m2/s a 20° C, no máximo.
11 x 10-6 m2/s a 40° C, no máximo.
3 x 10-6 m2/s a 100° C, no máximo.
• Ponto de fulgor – O óleo na presença de temperaturas mais elevadas
começa a produzir vapores. Ponto de fulgor se caracteriza pela temperatura
na qual, aproximando-se uma fonte de ignição, forma-se uma chama, porém
afastando-a dos vapores, se apaga rapidamente. Esta temperatura pode ser
afetada por descargas elétricas ou exposição prolongada do óleo às
temperaturas muito altas. O abaixamento do valor do ponto de fulgor indica a
presença de perigosos contaminantes combustíveis voláteis no óleo. Valores
típicos:
≥ 140° C - ABNT NBR 11341 [13]
≥ 145º C - ASTM D92 [14]
• Ponto de fluidez – Sob condições específicas, é a temperatura a partir da
qual o óleo isolante flui. É usado na identificação e determinação do tipo de
equipamento para o qual óleo pode ser usado. Essa característica não é
afetada pela deterioração normal do óleo. Valores típicos:
≤ - 39° C - ABNT NBR 11349 [15]
- 40° C, no máximo - ASTM D97 [16]
• Índice de neutralização – É a medida de componentes ácidos presentes no
óleo, indicando a quantidade de miligrama de hidróxido de potássio KOH
necessária para neutralizar a acidez de 1 g de óleo. A formação de ácidos no
interior de um transformador indica deterioração do óleo e tem impacto na
degradação dos materiais celulósicos e podem corroer peças de metal.
Valores típicos pela ABNT/MB 101/1968 [17] ou ASTM D974 – D664 [18]:
24
Limite aceitável para transformadores em operação:
0,4 mg KOH/g
Limite aceitável para óleo novo: 0,03 mg KOH/g
• Enxofre corrosivo – A presença de enxofre pode ser resultante de refino
deficiente e produz formação de borra afetando diretamente a capacidade de
refrigeração do equipamento, gerando ataque corrosivo aos metais do
transformador e queda das características dielétricas. O ensaio é executado
pelo método ABNT NBR 10505 [19] OU ASTM D1275 [20], estas normas
determinam um valor típico de: não presença de enxofre corrosivo.
• Fator de potência – É a relação entre a potência dissipada no óleo (perdas
ativas), em watts (W), e o produto da tensão pela corrente em VA (potência
total), quando testado com uma tensão senoidal e condições prescritas. Este
ensaio detecta a presença de contaminantes ou produtos de deterioração no
óleo, tais como água, oxidação, sabões, colóides etc. O óleo novo apresenta
fator de potência baixo e o seu aumento indica início do seu processo de
deterioração. Valores típicos pela ASTM D924 [21]:
0,05 % a 25º C no máximo.
0,3 % a 100º C no máximo.
• Rigidez dielétrica – Propriedade dos materiais em suportar solicitações
elétricas quando submetido a um dado valor de tensão. Exprime o valor (V/m)
do campo elétrico para o qual se dá a ruptura do meio isolante. O óleo
apresenta uma rigidez dielétrica alta, porém contaminantes como partículas
sólidas e água reduzem drasticamente este valor. Valores típicos para este
ensaio são apresentados na tabela 3.
Tabela 2.3: Características dos Métodos de Ensaio de Rigidez Dielétrica de Óleo [22]
Método ASTM D877 e NBR 6869 ASTM D1816 VDE 370
Tipo de Eletrodo Disco Calota Calota Espaçamento 0,1” 0,04” ou 0,08” 2,5 mm Elevação de
Tensão (kV/s) 3 0,5 2
Agitador Não Sim Sim
25
• Rigidez dielétrica a impulso – Tensão na qual um arco elétrico ocorre em
um óleo sob condições de impulso. Indica a capacidade do óleo de suportar
esforços de transitórios da tensão elétrica [23]. Valor limite: ≥ 145 kV (ASTM
D3300) [1].
• Tensão interfacial – Medida da força necessária para romper a película de
óleo na interface água-óleo. Examinando se a tensão interfacial pode se
determinar o grau de deterioração do óleo e contaminação por materiais
sólidos. Valor típico pela ABNT NBR 6234 [24]:
Óleo novo e livre de aditivos: ≥ 0,04 N/m a 25º C (mínimo).
Óleo após contato com o equipamento: ≥ 0,032 N/m a 25° C
(mínimo).
2.4 Isolantes Sólidos
2.4.1 Papel
Segundo ROLIM (2002) [9], o papel é classificado como um isolante fibroso orgânico
possuindo como matéria prima básica a celulose. É utilizado extensamente na
indústria elétrica como isolante devido à sua grande flexibilidade, capacidade de
obtenção em espessuras pequenas, preço geralmente razoável, estabilidade térmica
em torno de 100 ºC (o comportamento térmico depende acentuadamente da
natureza da fibra) e elevada resistência mecânica, tanto ao longo da fibra quanto
transversalmente. Possui elevada higroscopia2 e é facilmente impregnado com
algum isolante adequado. Sua degradação é irreversível, não sendo recomendada a
sua substituição [9].
Conforme OSTERMANN (2006) [11], é evidente o efeito maléfico da presença da
umidade dentro do transformador elétrico - o envelhecimento da celulose ocorre
mais rapidamente na presença de água, oxigênio, calor e borra3. Por esse motivo,
quando o papel é utilizado eletricamente, deve ser seco a vácuo, ficando assim livre
da umidade, que penetra no material durante as etapas de fabricação das camadas
isolantes, a despeito de todas as precauções dos fabricantes. 2Higroscopia – é a propriedade que certos materiais possuem de absorver água. 3Borra – composto de alto peso molecular, insolúvel e ácido formado pela polimerização do óleo na sua etapa final de degradação.
26
O envelhecimento de transformadores está diretamente ligado à deterioração de seu
sistema isolante. Levando em consideração que a parte líquida do isolamento (óleo)
pode ser tratada, recondicionada, regenerada ou substituída, o fator predominante
na determinação do seu envelhecimento é a degradação do isolamento sólido
(materiais produzidos a partir da celulose) dado que esta deterioração é irreversível
e a sua substituição somente é viável com a abertura do equipamento e a troca das
bobinas.
O estado de conservação dos materiais a base de celulose se baseiam no grau de
polimerização (GP), parâmetro que mede o comprimento das moléculas de celulose
que se relaciona diretamente com a resistência mecânica do material [11]. Uma
diminuição do GP indica degradação da celulose devido ao aquecimento natural do
transformador combinado com a presença de umidade e oxigênio. Segundo a IEEE
(Std. C57.91-2011) [25], o final da vida útil da isolação é definido por um GP com
valor de 200 ou redução de 75% da resistência à tração. Papel Kraft novo, por
exemplo, aplicado no isolamento de condutores, geralmente apresenta um GP de
1.000 (97.905 kPa).
O papel é utilizado em forma de fitas para isolar as espiras do transformador elétrico,
sendo impregnado com óleo ou vernizes para aumentar sua rigidez dielétrica. Os
condutores são enrolados em cilindros de prespan (material a base de celulose com
maior densidade que o papel), que proporcionam fixação mecânica e isolamento
entre enrolamentos de fase e entre estes e o núcleo [26]. Quando impregnado com
verniz, o papel pode ser encontrado sendo usado como suporte de núcleos de
transformadores.
Sua utilização na indústria elétrica ainda é feita em larga escala, apesar dos
problemas e cuidados com seu manuseio. Porém, materiais fibrosos sintéticos vêm
sendo produzidos e estudados e, naturalmente, surge uma tendência de substituí-lo
por estes [9].
2.4.2 Cerâmicas
27
As cerâmicas pertencem a um grupo de materiais com elevado ponto de fusão, são
produzidas a frio na forma plástica e sofrem processos de queima para adquirirem
as características que permitem seu uso na indústria elétrica. As matérias primas
principais utilizadas na produção das cerâmicas são o quartzo, o feldspato, o caolim
e a argila. Cada um desses componentes possui uma influência direta nos aspectos
térmico, mecânico ou dielétrico do produto final. Para a produção de uma cerâmica,
deve-se estabelecer primeiramente a sua aplicação, para então, em função das
condições elétricas ou dielétricas, mecânicas e térmicas que o material deve
suportar, estabelecer a porcentagem de cada componente.
É utilizada pela sua função isolante e capacidade de proteção contra agentes
externos como invólucro de buchas nos transformadores elétricos.
2.5 Nanofluidos
O conceito de nanofluido foi introduzido em 1995 por STEPHEN CHOI [27] e seu
grupo de pesquisa do Argonne National Laboratory nos Estados Unidos. Através de
pesquisas aplicadas, CHOI demonstrou melhorias na troca térmica obtida a partir da
adição de nanopartículas de cobre ou alumínio em água e outros líquidos.
Segundo MATT, C. F. T. et al. [28], nanofluidos são definidos como colóides
estáveis. O termo colóide refere-se a um sistema aparentemente homogêneo, mas
constituído por duas fases, em que a fase dispersa é composta de partículas, cujas
dimensões variam de 1 nm a 500 nm, misturadas homogeneamente na fase
dispersora [29]. O número de átomos de cada partícula vai de 103 até 109, em
ordem de grandeza. Abaixo deste limite o sistema é considerado uma solução e
acima, uma suspensão. A dispersão de nanopartículas em fluidos de resfriamento
como água, óleos e etileno glicol tem sido objeto de intensa investigação científica.
As propriedades do nanofluido estão intimamente ligadas às propriedades das
nanopartículas nele inseridas. A estabilidade da suspensão é alterada devido à
concentração, grau de cristalinidade, nível de oxidação superficial (no caso de
28
nanopartículas metálicas), distribuição de tamanho, formas geométricas e
propriedades reológicas4 das nanopartículas.
A síntese do nanofluido é o passo mais importante para um estudo bem sucedido
dessas suspensões. Algumas exigências são essenciais tais como: homogeneidade,
estabilidade, durabilidade, pouca aglomeração de nanopartículas e não alteração
química do fluido-base. O principal problema encontrado nos laboratórios é a
aglomeração das nanopartículas. SINGH [30] afirma que ainda não existe um
método de preparação padrão para nanofluidos. Segundo MATT, C. F. T. et al. [28],
existem basicamente dois métodos de preparação dos nanofluidos: (i) método de
passo único; e (ii) método de dois passos – o mais usado atualmente.
No método de dois passos, as nanopartículas previamente produzidas por algum
método físico ou químico e disponíveis como pó seco são misturadas ao fluido-base
e a sua dispersão é feita por meio de ultrassom (sonicação) ou agitação mecânica.
Segundo EASTMAN et al. [31] e SINGH [30], esse método funciona bem com
nanopartículas oxídicas5, mas com nanopartículas metálicas o grau de aglomeração
tem se mostrado inaceitável. Para minimizar a formação de aglomerados técnicas
como mudança de pH e adição de surfactantes6 também têm sido usadas. As
principais vantagens do método de dois passos são a sua simplicidade e facilidade
de produção de nanofluidos em larga escala.
No método de passo único, o processo de produção e dispersão das nanopartículas
no fluido-base é realizado em uma única etapa. Suas principais vantagens são a
estabilidade da suspensão produzida, o controle do tamanho das nanopartículas e a
minimização da formação de aglomerados. A principal desvantagem desse método é
a dificuldade de síntese de nanofluidos em larga escala.
4Propriedades reológicas - propriedades físicas que influenciam o transporte de quantidade de movimento em um fluido. 5Nanopartículas oxídicas - nanopartículas ferromagnéticas como a magnetita (Fe3O4) e hematita (Fe2O3). 6Surfactante - são tipicamente moléculas de cadeia longa que ajudam a manter as nanopartículas separadas no colóide, evitando aglomeração.
29
No setor elétrico os nanofluidos se destacam pela sua possível aplicabilidade em
transformadores. As nanopartículas são adicionadas ao OIM visando a melhoria nas
suas propriedades dielétricas e transporte de calor. Espera-se que resultados
positivos nos estudos e ensaios resultem em projetos de transformadores mais leves
e compactos e que ocorra uma melhora no dimensionamento dos transformadores
atuais - diminuição do tamanho e aumento de potência.
2.5.1 Ferrofluidos
Apesar do conceito de nanofluido surgir em 1995, o ferrofluido (FF) era conhecido
pelos físicos desde a década de 1960, quando foram sintetizados pela primeira vez.
Ferrofluidos são nanofluidos constituídos por nanopartículas ferromagnéticas ou
ferrimagnéticas, como a magnetita (Fe3O4) e a hematita (Fe2O3), dispersas em
líquido polar ou não polar (apolar), que se caracterizam por sua forte magnetização
na presença de campo magnético externo. Este tipo de nanofluido é considerado
como um material superparamagnético, isto é, na ausência de campo magnético
externo ele não permanece magnetizado. Por possuírem elevada estabilidade e
propriedades únicas, os ferrofluidos podem ser empregados como selantes, fluidos
de resfriamento e dielétricos.
De acordo com a literatura [32] eles têm uma magnetização de saturação baixa. A
magnetização de saturação, medida em Gauss (G), é o valor máximo do momento
magnético7 por unidade de volume, quando todos os domínios estão alinhados
(Figura 2.5). Pode-se dizer que é o quão forte a atração será entre uma dada
substância e um ímã de uma determinada força. Este valor da magnetização de
saturação para o ferrofluido é de 400 G, em comparação com 17.000 G do ferro. É
importante ressaltar que as equações de Maxwell definem o comportamento do
campo magnético apenas no nível macroscópico, possuindo um limite inferior de
cerca de 0,1 mm [50].
7Momento magnético - grandeza vetorial que se pode associar a uma espira percorrida por uma corrente ou a um dipolo magnético.
30
Figura 2.4: Nanopartículas misturadas ao surfactante com o seu domínio (MD) de magnetização orientado na mesma direção e sentido ao campo magnético aplicado
[31].
A estabilidade do ferrofluido não é facilmente obtida. O tamanho das nanopartículas
a ser utilizado deve ser cuidadosamente controlado e, além disso, surfactantes
químicos, como o ácido oléico8, são usados para assegurar a estabilidade coloidal.
As moléculas de ácido oléico se organizam em torno das nanopartículas
ferromagnéticas evitando que elas se aproximem umas das outras (aglomeração de
moléculas) a ponto de permitir a atuação das forças de Van der Waals9.
Uma diferença notável entre os ferrofluidos e os nanofluidos não magnéticos é a
dimensão das nanopartículas dispersas no fluido base. Nos ferrofluidos a dimensão
das nanopartículas não ultrapassa 10 nm, pois, para diâmetros maiores a interação
magnética entre as partículas se sobrepõe à energia térmica que as mantêm
dispersas e há a formação de aglomerados. Nos nanofluidos não magnéticos o
diâmetro das nanopartículas encontra-se entre 20 e 50 nm.
A aplicação de maior interesse para engenharia elétrica de ferrofluidos é a sua
utilização como fluidos de resfriamento em transformadores elétricos para o
isolamento elétrico das suas partes condutoras e para dissipação do calor gerado no
enrolamento e núcleo, para as paredes do tanque.
8Ácido oléico - surfactante utilizado para evitar a aglomeração das nanopartículas ferromagnéticas. 9Força de Van der Waals - Designação genérica da força de interação entre moléculas neutras. Em geral é a força de curto alcance, que decresce rapidamente com uma potência elevada da distância que separa as moléculas.
31
2.5.2 Magnetização
Um dos aspectos mais importantes desse trabalho, além da suportabilidade
dielétrica do nanofluido, é a sua interação com o campo magnético presente dentro
no transformador elétrico. O estudo dessa interação, nanofluido/campo magnético,
se torna extremamente importante, pois o conhecimento prévio da movimentação
das nanopartículas dentro do transformador elétrico pode evitar uma eventual falha
de operação.
Um transformador elétrico apresenta um fluxo convectivo de fluido magnético devido
ao seu campo magnético não uniforme e ao gradiente de temperatura estabelecido
dentro do tanque. A corrente alternada que passa através do enrolamento gera o
calor e o campo magnético não uniforme estabelecido dentro do transformador. Dois
dos fatores que determinam o peso e o tamanho de um transformador elétrico para
uma dada potência nominal são: (i) a velocidade de transferência do calor interno
para as paredes do transformador; e (ii) a sua dissipação subsequente para meio
externo. Porém, enquanto a troca e a transferência de calor com o meio ambiente
sejam de extrema importância para a eficiência de um transformador, a
suportabilidade dielétrica do ferrofluido, é que determina se ele será adequado para
a utilização em equipamentos de elevada potência.
Ensaios realizados por VLADIMIR SEGAL e K RAJ [33] demonstram a eficiência da
utilização de ferrofluido em transformadores elétricos. Na Figura 2.6 podemos
observar o modelo de transformador que foi utilizado no experimento e as forças
atuantes no fluido utilizado. Este modelo possui dois enrolamentos concêntricos
compostos por fio de cobre retangular com seção de 0,2 cm² que foram inseridos
dentro de um cilindro com capacidade de 3.000 cm³. O cilindro foi preenchido com
óleo isolante mineral ou ferrofluido. Com a ajuda de um transformador de corrente,
os enrolamentos foram supridos de 250 A em corrente alternada, a 60 Hz. A
densidade de corrente atingida foi de 10³ A/cm².
32
Figura 2.5: Esquemática do modelo do transformador utilizado no experimento e as forças atuantes no fluido [33]
Cinco pares termoelétricos foram inseridos no cilindro contendo o fluido e o modelo
do transformador (Figura 2.6). O óleo utilizado foi o Exxon Univolt 60 e o ferrofluido
foi o FF200 com uma saturação por magnetização de 200 G.
Figura 2.6: Localização dos termopares dentro do transformador utilizado no experimento [33]
A distribuição de temperatura dentro do modelo foi distinta para o óleo e o
ferrofluido. Para o óleo, os termopares 1 e 2 apresentaram as temperaturas mais
altas e o termopar 5, do lado de fora dos enrolamentos na parte de baixo do cilindro,
33
apresentou a temperatura mais baixa. Essas temperaturas registradas são similares
a de um transformador elétrico típico, com as temperaturas mais altas na parte de
cima dos enrolamentos e as mais baixas na parte de baixo do tanque. Para o
ferrofluido, o termopar 1 demonstrou a temperatura mais baixa, enquanto que o
termopar 5 apresentou uma temperatura mediana.
Com este ensaio, VLADIMIR SEGAL e K RAJ [33] demonstraram que o fluido
magnético (ferrofluido) alterou a distribuição de calor dentro do modelo de
transformador elétrico de uma forma benéfica. A convecção magnética durante o
experimento foi forte o suficiente para fazer com que o líquido do lado de fora dos
enrolamentos se tornasse mais quente do que na seção de cima do enrolamento
exterior. Vale constatar que a temperatura máxima e média permaneceram
inalteradas para o óleo e o ferrofluido. Os limites impostos pelo calor gerado pela
densidade de corrente nos enrolamentos podem ser contornados com a utilização
de ferrofluidos, resultando em um transformador elétrico menor para uma mesma
potência nominal, e um design mais eficiente com um rendimento mais elevado.
Durante o experimento realizado [33], técnicas especiais de produção de nanofluidos
foram empregadas para melhorar seu desempenho dielétrico e resistividade elétrica.
Ferrofluidos com magnetização de até 50 G obtiveram os melhores resultados
aplicados em transformadores de alta tensão, combinando bom desempenho de
resfriamento e propriedades dielétricas.
Podemos concluir, a partir do experimento de VLADIMIR SEGAL e K RAJ [33], que
ferrofluidos podem ser usados em vários tipos de transformadores elétricos com
trocas de calor passivas10 ou ativas11. Por muito tempo acreditava-se que o óleo
isolante mineral era tão bom quanto o seu nível de ausência de partículas de
impureza, porém foi provado que um fluido composto por óleo isolante mineral e até
1% (em volume) de partículas de magnetita possui o desempenho em corrente
alternada do óleo puro e características dielétricas a impulso atmosférico superiores.
10Troca de calor passiva - ocorre pela convecção natural do óleo e ar pelo radiador do transformador. 11Troca de calor ativa - utiliza-se de equipamentos como bombas e ventiladores para forçar a passagem do óleo e do ar pelo radiador, aumentando-se assim a eficiência do sistema de refrigeração.
34
2.6 Geração da Onda Padrão 1,2/50 µs
O principal equipamento envolvido nos ensaios descritos neste trabalho foi o gerador
de impulso de tensão (GI). O circuito do gerador de impulso de tensão composto de
quatro estágios (Figura 2.8) foi desenvolvido por Erwin Otto Marx no início do século
XX, podendo ser utilizado na geração de impulsos atmosféricos ou de manobra.
Figura 2.8: Gerador de impulso de Marx com 4 estágios [43]
No circuito da Figura 2.8, RL é denominada de resistência de carga, RS a resistência
de frente, RP a resistência de cauda, CS a capacitância de cada estágio do gerador,
Cie a capacitância representativa do objeto sob ensaio e SG representa as esferas
centelhadoras (‘gap’). Cada um desses componentes e suas funções serão
discutidos posteriormente neste capítulo. Como a célula de ensaio que foi utilizada
durante os experimentos é considerada um corpo simples, pode-se usar, para
análise, o circuito equivalente da Figura 2.9.
35
Figura 2.9: Circuito equivalente do gerador de impulsos [42]
A capacitância total do gerador:
1C = 1C
(1)
a resistência série total:
R = R
(2)
e a resistência em paralelo total:
R = R
(3)
36
2.6.1 Princípio de Funcionamento
O gerador de impulso de tensão é caracterizado por capacitores (Cs) que são
carregados em paralelo com uma tensão pré-determinada pelo operador. A
disrupção intencional das esferas centelhadoras (SG) dos estágios do gerador
viabiliza que os capacitores sejam colocados em série, aplicando assim a energia
armazenada no gerador de impulso no terminal de alta tensão do objeto sob ensaio.
A tensão total aplicada no objeto sob ensaio será, então, a soma da tensão de todos
os estágios individuais do gerador. O gerador que foi utilizado neste trabalho
pertencente ao LabDig (Figura 2.10) é formado por 7 estágios, cada um de 100 kV,
totalizando 700 kV de tensão máxima que poderá ser aplicada ao objeto sob ensaio.
Figura 2.10: Gerador de Impulsos do LabDig [42]
2.6.2 Forma de Onda para Impulso Atmosférico
A onda de impulso de tensão utilizada foi a onda padronizada [2] de impulso
atmosférico (1,2/50 µs), conhecido como impulso de tensão pleno (Figura 2.11).
37
Figura 2.11: Onda plena de impulso atmosférico 1,2/50 µs [40]
Os parâmetros mais importantes da onda de impulso pleno precisam ser
identificados.
Tempo de frente (T f) – É igual a 1,67 vezes o intervalo de tempo
compreendido entre os instantes de 30% (t30) a 90% (t90) do valor da tensão
de crista, ou seja:
T = 1,67 ∗ (t#$ − t%$) (4)
A utilização do parâmetro 1,67 baseia-se na relação de triângulos (O’1T30%,
O’2T90% e O’VPTP);
Tempo de cauda (T C) – É o intervalo de tempo medido a partir do zero virtual
(O’) até o valor de 50% do valor da tensão de crista;
Tempo de pico (T P) – Tempo correspondente ao valor da tensão de pico;
Zero virtual (O’) – É determinado pelo encontro da reta que une os pontos
que representam 30 e 90% do valor de crista com o eixo dos tempos;
Tensão de pico (T P) – É o valor máximo da tensão atingido pelo impulso,
conhecido também como tensão de crista;
Origem (O) – Instante em que o impulso de tensão começa a ser registrado;
38
Em uma análise simplificada, o impulso de tensão pleno pode ser considerado como
a soma de duas curvas exponenciais: −e'ee( (Figura 2.12).
Figura 2.12: Curvas exponenciais −e'ee( [41]
O disparo das esferas centelhadoras é dado pelo operador quando o carregamento
das capacitâncias do gerador de impulso (CS) atinge o nível de tensão desejado
para o ensaio. Isso resulta na liberação da energia armazenada nesses capacitores
em forma de corrente, sendo que a maior parte da corrente do circuito passa pelo
capacitor de frente (Cf), pois esse age como um curto-circuito, enquanto que a
menor parcela passa pelo resistor em paralelo. Esse processo de descarga dos
capacitores do gerador de impulso (CS) continua até que o seu nível de tensão se
iguale ao nível da tensão de carga, formado pelo objeto sob ensaio, capacitância de
frente e divisor de tensão. O ponto máximo de energia acumulada pelo capacitor de
frente e sua eventual descarga é denominada crista do impulso e o valor da tensão
neste ponto é a tensão de crista de impulso. A porção do impulso compreendida
entre a origem e a crista é denominada a frente de onda e o intervalo de tempo
correspondente é chamado de tempo de frente de onda [41].
O tempo de frente da onda é ajustado respeitando T ± 30%(0,84μsaté1,56μs) [2].
Esse ajuste é possível fazendo uso do resistor de frente de impulso ou resistor série
39
do gerador de impulsos adequado. Quanto maior seu valor ôhmico, maior será a
duração do tempo da frente de onda.
A cauda da onda é caracterizada pela descarga em paralelo para a terra de todos os
elementos capacitivos que estavam com o mesmo nível de tensão. O tempo de
cauda é ajustado respeitando T ± 20%(40μsaté60μs) [2]. Esse ajuste é possível
fazendo uso do resistor de cauda de impulso ou resistor paralelo (Rp) adequado.
Quanto maior seu valor ôhmico, mais lento será o decaimento da onda.
2.6.3 Principais Componentes
Os principais componentes responsáveis pela formação do sinal de tensão gerado
pelo GI quando o disparo é realizado pelas esferas centelhadoras são: as
resistências em série (Rs) e paralelo (Rp), os capacitores de cada estágio do gerador
(CS), o capacitor de frente (Cf) e a capacitância do objeto sob ensaio (Cie).
2.6.3.1 Resistor de Frente de Impulso ou Resistor S érie (R s) Este resistor está diretamente ligado à indutância do circuito de impulso e à sua
carga capacitiva (Cf + Cdt). Caso seja verificada a existência de oscilações na forma
de impulso atmosférico poderá ser utilizado adicionalmente um resistor de frente
externo (Rse) ao gerador de impulso com nível de isolamento nominal de 300 kV por
metro. O cálculo exato do resistor de frente (Rs) é descrito a seguir.
Rs = T53,25 ∗ C67
(5)
T5 = tempodefrentedaonda = 1,2μs C67 = C ∗ (C6 + C@ + C)C6 + C@ + C + C (6)
A C6 − capacitânciadoitemsobensaioC@ − capacitânciadodivisordetensãoC − capacitânciadefrenteC − capacitânciaporestágiodogeradorJ
40
2.6.3.2 Resistor de Cauda de Impulso ou Resistor Pa ralelo (R p) Este resistor está diretamente ligado à capacitância do gerador de impulso. É
responsável por auxiliar uma melhor distribuição da tensão entre os estágios do
gerador durante o seu carregamento [40]. O cálculo exato do resistor de cauda (Rp)
é descrito a seguir.
Rp = TK0,7 ∗ C67 (7)
TK = tempodecaudadaonda = 50μs C67 = C6 + C@ + C + C (8)
A C6 − capacitânciadoitemsobensaioC@ − capacitânciadodivisordetensãoC − capacitânciadefrenteC − capacitânciaporestágiodogeradorJ
2.6.3.3 Capacitância do Gerador de Impulso (C S) Responsável pelo carregamento da tensão desejada que será aplicada ao objeto de
ensaio. Por operar com alta carga na aplicação do impulso, possui baixíssima
resistência e indutância. São impregnados a óleo, colocados em tanques metálicos e
à prova de água, necessitam de suporte isolante, pois são geralmente ligados em
série por sua carcaça em cada estágio do gerador de impulso.
2.6.3.4 Capacitor de Frente (C f) Este dispositivo se comporta como um curto-circuito, assim que ocorre o disparo das
esferas centelhadoras, acumulando tensão devida à alta taxa de corrente que passa
pelo mesmo. Quando o seu nível máximo de energia é alcançado, descarrega
gradativamente.
41
2.6.3.5 Capacitância do Objeto sob Ensaio (C ie) Todos os objetos de ensaio expostos aos impulsos aplicados pelo gerador de
impulso são representados por uma capacitância. Essa capacitância é denominada
de capacitância do objeto sob ensaio (Cie).
2.6.3.6 Capacitância do divisor de tensão (C dt) O divisor de tensão é representado como uma capacitância no circuito equivalente
da Figura 2.9. Este equipamento de característica mista (capacitivo e resistivo)
possibilita a medição da tensão durante a aplicação do impulso, transmitindo à
central de medição uma tensão de saída proporcional à tensão de entrada. O seu
circuito pode ser visualizado na Figura 2.13.
Figura 2.13: Circuito de medição utilizado durante os experimentos [49]
Tabela 2.4: Siglas e valores dos componentes do divisor de tensão
Sigla Descrição Valor
CHV Capacitor para medição de alta tensão
1 nF
CLV Capacitor pata medição de baixa tensão 990 nF
Rd Resistor de amortecimento 100 Ω
RZ Resistor de terminação 50 Ω
CC Cabo para medição 50 Ω, 2,5 nF
42
Existem sete tipos de descargas atmosféricas (flashes) na natureza. Cada uma
dessas descargas possui características e parâmetros diferentes. Dentre essas sete
descargas, somente quatro delas são importantes entre nuvem e solo. Foi
constatado por COORAY (2010) [44] e HILEMAN (1999) [45] que, em torno de 85 a
95 % das vezes em estruturas menores que 100 m, como, por exemplo, linhas de
transmissão, o flash é descendente12 de polaridade negativa [47]. Neste trabalho
foram aplicadas ondas de tensão de impulso pleno de polaridades positiva e
negativa. As ondas de impulso pleno, aplicadas no laboratório, simulam a ocorrência
de surtos atmosféricos (sobretensões decorrentes de descargas artmosféricas -
sobretensões externas) provenientes de descargas atmosféricas.
2.6.4 Polaridade Positiva e Negativa da Onda de Imp ulso Pleno
A configuração dos eletrodos utilizada durante os ensaios descritos neste trabalho é
do tipo ponta-esfera. Neste tipo de configuração, o campo é fortemente não uniforme
e a ionização se inicia na região de campo elétrico mais intenso, situada próxima do
eletrodo, a ponta. A distorção causada pelo volume de cargas ao longo do
espaçamento é diferente para a polaridade positiva e negativa [46].
Nas configurações reais, a parte aterrada (plano terra e estrutura) são uma massa
condutora grande e a parte energizada (condutores), uma massa menor. Guardadas
as proporções, esta condição é a simulada pela câmara de testes, com um eletrodo
tipo agulha; e outro representando o plano (esfera muito maior que a agulha). A
distribuição de campo não é uniforme, sendo mais concentrada nos condutores de
menor dimensão.
Para haver a disrupção do meio isolante é necessário haver um início de descarga,
formação de streamers13, ionização14 etc. Esse processo, portanto, sempre começa
nos condutores, onde o campo é mais intenso. O principal agente de ionização são
os elétrons livres.
12Flash descendente - descarga atmosférica com origem na nuvem e término no solo. 13 Streamers - são canais de ionização formados a partir da avalanche de elétrons livres. 14 Ionização - processo pelo qual ocorre a formação de íons.
43
A formação de descarga num eletrodo sob polaridade positiva sempre é mais
'eficiente' do que para o mesmo eletrodo sob polaridade negativa. No caso do
eletrodo sob polaridade positiva, os elétrons estão sendo atraídos para o eletrodo,
indo para regiões de campo cada vez mais intenso, acelerando e ionizando por
impacto. No caso do eletrodo sob polaridade negativa, os elétrons estão se
afastando do condutor e perdendo 'força', dificultando a formação da descarga.
2.6.4.1 Polaridade Positiva A onda de polaridade positiva é obtida quando o eletrodo estilo ponta (agulha)
possui polaridade positiva e o eletrodo estilo esfera, polaridade negativa durante a
aplicação do impulso de tensão. Nesta polaridade, a agulha é considerada como
sendo o anodo e a esfera, o catodo.
2.6.4.2 Polaridade Negativa A onda de polaridade negativa é obtida quando o eletrodo estilo ponta (agulha)
possui polaridade negativa e o eletrodo estilo esfera, polaridade positiva durante a
aplicação do impulso de tensão. Nesta polaridade, a agulha é considerada como
sendo o catodo e a esfera, o anodo.
44
3. METODOLOGIA DA PESQUISA
Neste capítulo é apresentada a metodologia de pesquisa implementada na
elaboração do estudo. É exposta uma classificação da pesquisa quanto aos fins e
aos meios de investigação.
3.1 Delineamento da pesquisa
Este estudo visa apresentar os resultados dos ensaios de diferentes concentrações
de ferrofluido em transformadores de potência e desta forma verificar a possibilidade
de uso deste como isolante em transformadores de potência em substituição ao óleo
mineral isolante.
3.2 Definição de pesquisa
MINAYO (1993, p.23) [34], vendo por um prisma mais filosófico, considera a
pesquisa como “atividade básica das ciências na sua indagação e descoberta da
realidade. É uma atitude e uma prática teórica de constante busca que define um
processo intrinsecamente inacabado e permanente. É uma atividade de
aproximação sucessiva da realidade que nunca se esgota, fazendo uma combinação
particular entre teoria e dados”.
DEMO (1996, p.34) [35] insere a pesquisa como atividade cotidiana considerando-a
como uma atitude, um “questionamento sistemático crítico e criativo, mais a
intervenção competente na realidade, ou o diálogo crítico permanente com a
realidade em sentido teórico e prático”.
Para GIL (1999, p.42) [36], a pesquisa tem um caráter pragmático, é um “processo
formal e sistemático de desenvolvimento do método científico. O objetivo
fundamental da pesquisa é descobrir respostas para problemas mediante o emprego
de procedimentos científicos”.
45
A pesquisa pode buscar o conhecimento pelo próprio desejo de investigar
determinada área por motivação de ordem intelectual ou ainda a aspiração de
descobrir uma aplicação prática para a solução de um problema. Pesquisar significa,
de forma bem simples, procurar respostas para indagações propostas.
3.3 Classificação e Tipos de Pesquisas
Quanto à natureza, as pesquisas podem ser classificadas [37] [38], em básicas e
aplicadas; quanto à forma de abordagem, em quantitativa e qualitativa; quanto aos
seus objetivos, em exploratória, descritiva e explicativa e quanto aos procedimentos
técnicos, em bibliográfica, documental, experimental, levantamento, estudo de caso,
ex post facto, pesquisa ação e participante.
SILVA E MENEZES (2005) [37] explicam que a pesquisa básica é aquela que gera
conhecimentos novos, úteis para o avanço da ciência sem aplicação prática prevista.
Envolve verdades e interesses universais; e a aplicada é a que tem como objetivo
gerar conhecimentos dirigidos à aplicação prática e solução de problemas
específicos, envolvendo verdades e interesses locais.
Conforme GIL (1991) [38], do ponto de vista dos seus objetivos a pesquisa pode ser:
• Exploratória: visa proporcionar maior familiaridade com o problema com
vistas a torná-lo explícito. Envolve levantamento bibliográfico. Assume, em
geral, as formas de Pesquisas Bibliográficas e Estudos de Caso.
• Descritiva: visa descrever as características de determinada população ou
fenômeno. Assume, em geral, a forma de Levantamento.
• Explicativa: visa identificar os fatores que determinam ou contribuem para a
ocorrência dos fenômenos. Aprofunda o conhecimento da realidade porque
explica a razão, o 'por quê' das coisas. Quando realizada nas ciências sociais
requer o uso do método observacional. Assume, em geral, as formas de
pesquisa Experimental e Ex post facto.
46
Do ponto de vista dos seus objetivos, o presente estudo é classificado como uma
pesquisa explicativa .
SILVA E MENEZES (2005) [37] afirmam que, do ponto de vista da forma de
abordagem dos problemas, a pesquisa pode ser:
• Quantitativa: significa traduzir em números, opiniões e informações para
classificá-las e analisá-las. Requer o uso de recursos e de técnicas
estatísticas.
• Qualitativa: há uma relação dinâmica entre o mundo real e o sujeito não
traduzido em números, o ambiente natural é a fonte direta para coleta de
dados e o pesquisador é o instrumento-chave. A interpretação dos fenômenos
e a atribuição de significados são básicas no processo de pesquisa
qualitativa. É descritiva e não requer métodos e técnicas estatísticas.
Esta pesquisa é classificada como quantitativa do ponto de vista da abordagem dos
problemas.
Do ponto de vista dos procedimentos teóricos (GIL, 1999) [36], a pesquisa pode ser:
• Bibliográfica: quando elaborada a partir de material já publicado, constituído
principalmente de livros, artigos de periódicos e atualmente com material
disponibilizado na internet.
• Documental: quando elaborada a partir de materiais que não receberam
tratamento analítico.
• Experimental: quando se determina um objeto de estudo, selecionam-se as
variáveis de influência, definem-se as formas de controle e de observação dos
efeitos que a variável produz no objeto.
• Levantamento: quando a pesquisa envolve a interrogação direta das
pessoas cujo comportamento se deseja conhecer.
• Estudo de Caso: quando envolve o estudo profundo e exaustivo de um ou
poucos objetos de maneira que se permita o seu amplo e detalhado
conhecimento.
47
• Ex Post Facto: quando o experimento se realiza depois dos fatos.
• Ação: realizada em estreita associação com a resolução de um problema
coletivo. Os pesquisadores e participantes representativos da situação ou de
problemas estão envolvidos de modo cooperativo ou participativo.
• Participante: quando se desenvolve a partir da interação entre
pesquisadores e membros das situações investigadas.
Por sua vez, VERGARA (2003) [39], apresenta dois critérios básicos para definir e
classificar as pesquisas: quanto aos fins e quanto aos meios. Segundo a autora, sob
esses aspectos os diversos tipos de pesquisa não são mutuamente excludentes,
podendo ser, ao mesmo tempo, de tipos e finalidades diversas.
Do ponto de vista de procedimentos teóricos, este trabalho é considerado uma
pesquisa bibliográfica, experimental, de ação, part icipante e um estudo de
caso .
Quanto à sua finalidade, uma pesquisa pode ser:
• Exploratória: aquela que possui uma natureza de sondagem em uma área
com pouco conhecimento acumulado.
• Descritiva: a pesquisa que expõe características de determinada população
ou fenômeno, não possuindo compromisso de explicar os fenômenos que
descreve.
• Explicativa: tem como objetivo principal tornar um fato ou fenômeno
compreensível, justificando os motivos e esclarecendo quais fatores
contribuem para a sua ocorrência.
• Metodológica: é aquele que se refere aos instrumentos de captação ou de
manipulação da realidade e está, portanto, associada a caminhos, formas e
maneiras para se atingir um determinado fim.
• Aplicada: a que é motivada pela necessidade de resolver problemas
concretos e existentes no ambiente da pesquisa. A pesquisa aplicada tem,
portanto, finalidades práticas, diferentes da pesquisa pura, a qual é
basicamente motivada pela curiosidade e desejo de pesquisar.
48
• Intervencionista: tem como principal objetivo interpor e interferir na realidade
estudada, de forma a modificá-la.
No caso do presente estudo, e com base na taxionomia apresentada por VERGARA
[39] e GIL [38], quanto à sua finalidade, esta pesquisa é classificada como
exploratória, explicativa e aplicada .
A pesquisa é exploratória , tendo em vista que não existem muitos estudos
realizados na área de aplicação de impulso atmosférico em fluidos contendo
nanopartículas ferromagnéticas.
A pesquisa é explicativa , pois tem a finalidade de verificar a eficácia da substituição
do óleo isolante mineral pelo ferrofluido.
Por outro lado, a pesquisa também é aplicada pois poderá ser usada no
desenvolvimento de projetos de transformadores mais leves e com maior potência
nominal que os atuais.
Quanto aos meios de investigação, a pesquisa pode ser:
• de Campo: pesquisa de investigação empírica, realizada no local onde
ocorreu um fenômeno ou que dispõe de elementos para explicá-lo.
• de Laboratório: é aquela realizada em local circunscrito, normalmente
envolvendo simulações.
• Documental: aquela na qual a investigação é realizada com base no
conteúdo dos documentos.
• Bibliográfica: é o estudo sistematizado desenvolvido mais fortemente com
base nos materiais publicados por outros pesquisadores.
• Experimental: investigação empírica na qual o pesquisador manipula e
controla as variáveis independentes e observa as mudanças nas variáveis
dependentes.
• Ex post facto: pesquisa referente a um fato já ocorrido, o qual o pesquisador
não pode controlar ou manipular as variáveis.
49
• Participante: pesquisa que não se esgota na figura do pesquisador e da qual
tomam parte pessoas implicadas no problema.
• Pesquisa ação: é um tipo específico de pesquisa participante que supõe
intervenção participativa na realidade social.
• Estudo de caso: é o circunscrito a uma ou poucas unidades, com caráter de
profundidade e detalhamento.
Quanto aos meios de investigação, classifica-se esta pesquisa como de laboratório,
documental, experimental e bibliográfica .
Conforme VERGARA [39], a pesquisa bibliográfica é desenvolvida com base em
material acessível ao público em geral, isto é, publicado em livros, revistas, relatórios
técnicos e mídia eletrônica.
Em resumo, pode-se afirmar que este trabalho foi desenvolvido por meio de
pesquisa exploratória, explicativa e aplicada, sendo classificada como quantitativa
do ponto de vista da abordagem dos problemas. Foram utilizados procedimentos
teóricos de característica bibliográfica, experimental, de ação, participante e estudos
de caso. Quanto aos meios de investigação, classifica-se esta pesquisa como de
laboratório, documental, experimental e bibliográfica.
50
4. A PESQUISA REALIZADA
4.1 Objetivo
O objetivo principal dos experimentos realizados no laboratório de diagnósticos de
equipamentos elétricos do Cepel é determinar a suportabilidade dielétrica de um
nanofluido com 3 concentrações distintas – ferrofluido 1, ferrofluido 2 e ferrofluido 3
e compará-los ao comportamento quando submetido ao impulso atmosférico de um
fluido base conhecido, como o óleo isolante mineral naftênico AV60IN, da Petrobras.
Para tal, os principais componentes envolvidos foram um gerador de impulsos de
700 kV, do fabricante HighVolt; sistema de medição e divisor de tensão, fornecidos
pelo fabricante HighVolt; e célula de ensaios de acordo com a norma ASTM D 3300–
00 (2006) [1]. Os resultados serão avaliados estatisticamente de acordo com a sua
média de disrupções, variância populacional, desvio padrão populacional, coeficiente
de variação populacional, e método de acréscimo e decréscimo.
4.2 Procedimento para Obtenção da Suportabilidade D ielétrica do Nanofluido
O atributo mais importante dos nanofluidos, do ponto de vista elétrico é a sua
suportabilidade dielétrica quando exposto a descargas atmosféricas de polaridade
negativa e positiva. Para determinar a sua suportabilidade dielétrica foi utilizada a
norma ASTM D 3300–00 (2006) [1] e ABNT NBR IEC 60060-1 [2].
As características mais relevantes da norma ASTM em relação a este trabalho são:
(i) a onda a ser aplicada na célula de ensaio será plena de polaridade negativa e
positiva de 1,2/50 µs, com tolerância de 30 % (0,84 µs até 1,56 µs) para frente de
onda e 20 % (40 µs até 60 µs) para cauda; (ii) o gerador de impulsos de tensão
precisa de no mínimo uma tensão nominal de 300 kV ajustáveis para passos de 10
kV; (iii) o erro aceito para o equipamento de medição é 5% em relação ao pico da
onda de tensão; (iv) os eletrodos serão compostos por uma esfera de aço ou latão
com 12,7 mm de diâmetro e uma agulha de aço utilizada em gramofones; (v) a
51
célula de ensaio será feita de material de alta resistência dielétrica e de certa
dimensão que faça com que a descarga elétrica ocorra no espaçamento (gap)
apropriado (Figura 4.1); (vi) o espaçamento (gap) entre a agulha e a esfera será de
25,4 mm; (vii) a cada descarga a esfera será trocada de posição e a agulha
substituída; (viii) a cada descarga o fluido também será substituído por um novo.
Figura 4.1: Célula de ensaio utilizada. Cepel [42]
52
Figura 4.2: Parte superior da célula de ensaio, estrutura de teflon, acrílico e metal com eletrodo (agulha). Cepel [42]
Figura 4.3: Parte inferior da célula de ensaio, estrutura de teflon e eletrodo (esfera). Cepel [42]
53
Figura 4.4: Célula para ensaios de acordo com a norma ASTM [1]
Procedimentos adotados de acordo com a norma ASTM para os ensaios: (i)
posicionar os eletrodos com o espaçamento correto; (ii) lavar a célula de ensaio com
parte do nanofluido e descartar este líquido. Preencher a célula com o nanofluido
novo evitando a formação de bolhas; (iii) conectar o eletrodo fixo à 'terra' e o
eletrodo móvel ao gerador de impulsos de tensão; (iv) iniciar o ensaio aplicando uma
onda com no mínimo 40 kV a menos que o nível esperado para descarga. Aplicar,
no mínimo, 3 ondas por nível de tensão e esperar 30 segundos entre elas; (v)
aumentar o nível de tensão aplicada em passos de 10 kV até que ocorra descarga.
É necessário a ocorrência de três níveis de suportabilidade antes da ocorrência da
descarga; (vi) fazer a medição da descarga utilizando as técnicas especificadas na
IEEE standard 4; (vii) depois de qualquer descarga substituir os eletrodos e o fluido
de ensaio e recomeçar os ensaios.
Durante os ensaios foi observado que algumas descargas ocorriam por fora da
célula invalidando o ensaio. Devido a este fato, a célula foi colocada dentro de um
54
recipiente com óleo isolante mineral, uma vez que ele possui uma rigidez dielétrica
maior que o ar, evitando assim a ocorrência de novas descargas por fora da célula
de ensaio.
4.3 Método de Acréscimo e Decréscimo ( Up & Down) O ensaio de acréscimo e decréscimo, de acordo com a norma ABNT NBR IEC
60060-1:2013 [2], é caracterizado como Classe 2.
Em um ensaio de Classe 2, m grupos aceitos de n essencialmente iguais
solicitações de tensões são aplicadas em níveis de tensão Vi (i = 1,2,...,i). O nível
de tensão para cada grupo sucessivo de solicitações é aumentado ou diminuído por
uma pequena parcela ∆V, de acordo com o resultado do grupo anterior de
solicitações.
Dois procedimentos de ensaio são comumente utilizados de acordo com esta norma
[2]: (i) o procedimento suportável , com objetivo de encontrar níveis de tensão
correspondentes às menores probabilidades de descarga disruptiva e; (ii) o
procedimento disruptivo , que encontra níveis de tensão correspondentes às
maiores probabilidades de descarga disruptiva. No procedimento suportável, o nível
de tensão é acrescido por uma parcela ∆V, se nenhuma descarga disruptiva ocorrer
em um grupo de aplicações de tensão n; caso contrário o nível de tensão é
diminuído pela mesma quantidade. No procedimento disruptivo, o nível de tensão é
aumentado de ∆V se uma ou mais suportabilidades ocorrerem; caso contrário, é
reduzido na mesma proporção.
Ensaios com valores distintos de n são também utilizados para determinar tensões
correspondentes a outras probabilidades de descarga disruptiva. Podem ser
observados pela Tabela 5 os valores de p associados aos seus respectivos valores
de n. Os resultados são o número de grupos de solicitações ki aplicados nos níveis
de tensão Vi. O primeiro nível Vi a ser levado em conta é aquele no qual pelo menos
dois grupos precedentes de solicitações foram aplicados. O número total de grupo
úteis é dado pela equação 9.
55
M = NOPO
(9)
O procedimento suportável descrito, fornece uma estimativa de Vp para uma
probabilidade de descarga disruptiva dada por:
P = 1 − 0,5RS
(10)
Enquanto o processo disruptivo resulta Vp:
p = 0,5RS
(11)
Tabela 4.1: Probabilidades de descarga em ensaio de acréscimo e decréscimo [2]
n = 70 34 14 7 4 3 2 1 Procedimento
P = 0,01 0,02 0,05 0,10 0,15 0,20 0,30 0,50 Suportável
p = 0,99 0,98 0,95 0,90 0,85 0,80 0,70 0,50 Disruptivo
Neste trabalho, o foco será voltado para determinar V20 e V80 para n = 3. De acordo
com a norma ABNT NBR IEC 60060-1:2013 [2], o cálculo ideal seria para V10 (tensão
aplicada com 10% de chance de disrupção) e V90 (tensão aplicada com 90% de
chance de disrupção). Isso ocorre pelo fato dos equipamentos fornecerem o seu BIL
(Basic Impulse Level) baseado no V10. Durante os ensaios foi constatada a
impossibilidade da obtenção do V10 que refletiria em n = 7 aplicações por nível Vi de
tensão.
56
Após analisar os gráficos obtidos a partir dos resultados dos ensaios foi constatado
que o método estatístico de acréscimo e decréscimo (up & down) não apresentaria
aplicabilidade para o caso específico de ensaios com nanofluidos. A inviabilidade do
método descrito nesta norma [2] para ensaios com óleo isolante mineral e
nanofluidos ocorreu devido a fatores como: (i) disponibilidade de nanofluido e óleo
isolante mineral pequena para um número muito grande de aplicações; (ii)
disponibilidade de tempo da equipe envolvida no projeto; (iii) os nanofluidos
possuem uma suportabilidade dielétrica imprevisível quando submetidos a impulsos
atmosféricos plenos.
4.4 Tratamento Estatístico dos Resultados dos Ensai os
A partir da obtenção dos resultados dos ensaios foi possível avaliá-los
estatisticamente. O dado mais importante dos ensaios foi a ocorrência de disrupções
dentro da célula de ensaio, os procedimentos estatísticos adotados avaliarão
somente as disrupções usando a média aritmética, variância populacional, desvio
padrão populacional, coeficiente de variação populacional em percentual. As
equações utilizadas são descritas a seguir.
4.4.1 Média Aritmética
Calcula-se a média aritmética somando-se todos os valores das disrupções e
dividindo o total pelo número de disrupções.
μT = 1N ∗XW
(12)
XN − númerototaldedisrupçõesX − valordeumadisrupção J
57
4.4.2 Variância Populacional
Indica quão 'longe' os valores se encontram da média aritmética. Calcula-se a
variância populacional fazendo a diferença entre a os valores das disrupções e a
média aritmética dos valores obtidos ao quadrado, dividindo o resultado pelo número
total de disrupções.
σT = 1N ∗(X − μT)²W
(13)
_N − númerototaldedisrupçõesX − valordeumadisrupçãoμT −médiaaritmética J 4.4.3 Desvio Padrão Populacional
Fornece o grau de dispersão em torno da média aritmética. É calculado extraindo a
raiz quadrada da variância populacional.
σT = `σT
(14)
σT − variânciapopulacional 4.4.4 Coeficiente de Variação Populacional
Representa o desvio padrão expresso como porcentagem da média, possui
capacidade de comparação de distribuições diferentes.
CV = σTμT
(15)
XσT − desviopadrãopopulacionalμT −médiaaritmética J
58
4.5 Análises dos resultados
Um total de quatro fluidos foram analisados durante os experimentos, óleo isolante
mineral, ferrofluido 1, ferrofluido 2 com metade da concentração de nanopartículas
do ferrofluido 1 e ferrofluido 3, este com metade da concentração de nanopartículas
do ferrofluido 2. Todos os fluidos foram submetidos a impulsos atmosféricos de
polaridade negativa e positiva.
4.5.1 Óleo Isolante Mineral
4.5.1.1 Polaridade Positiva
O óleo isolante mineral AV60IN foi submetido a impulso atmosférico de polaridade
positiva, com início da aplicação em 60 kV. O gráfico da Figura 4.5 foi construído
baseando-se na primeira disrupção, a qual ocorreu em 120 kV. Em aplicações de
tensão menores que 120 kV, o fluido suportou as aplicações iniciais, porém puderam
ser observadas disrupções em 70 kV nas aplicações de número 4, 6, e 7.
Figura 4.5: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade positiva no OIM
59
Tabela 4.2: Dados estatísticos para o OIM submetido a impulso atmosférico de polaridade positiva
Fluido Média (bc) das
disrupções (kV)
Variância populacional def (kV)
Desvio padrão populacional de (kV)
Coeficiente de variação
populacional (%)
Óleo Isolante Mineral /
Polaridade Positiva
88,33 380,56 19,51 22,09
4.5.1.2 Polaridade Negativa
O óleo isolante mineral AV60IN foi submetido a impulso atmosférico de polaridade
negativa, com início da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.6) foi construído
baseando-se na primeira disrupção, a qual ocorreu em 230 kV. Em aplicações de
tensão menores que 230 kV o fluido suportou as descargas iniciais, porém puderam
ser observadas disrupções em níveis de tensão menores que 230 kV para as
aplicações subsequentes. Pôde ser observado também que as disrupções oscilaram
em torno de um valor médio.
Figura 4.6: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade negativa no OIM
60
Tabela 4.3: Dados estatísticos para o OIM submetido a impulso atmosférico de polaridade negativa
Fluido Média (bc) das
disrupções (kV)
Variância populacional def (kV)
Desvio padrão populacional de (kV)
Coeficiente de variação
populacional (%)
Óleo Isolante Mineral /
Polaridade Negativa
212,5 193,75 13,91 6,55
4.5.2 Ferrofluido 1
4.5.2.1 Polaridade Positiva
O ferrofluido 1 foi submetido a impulso atmosférico de polaridade positiva, com início
da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.7) foi construído baseando-se na
primeira disrupção, a qual ocorreu em 120 kV. Em aplicações de tensão menores
que 120 kV o fluido suportou as aplicações iniciais, porém puderam ser observadas
disrupções em níveis de tensão menores que 120 kV para as aplicações
subsequentes.
Figura 4.7: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade positiva no Ferrofluido 1
61
Tabela 4.4: Dados estatísticos para o ferrofluido 1 submetido a impulso atmosférico de polaridade positiva
Fluido Média (bc) das
disrupções (kV)
Variância populacional def (kV)
Desvio padrão populacional de (kV)
Coeficiente de variação
populacional (%)
Ferrofluido 1 / Polaridade
Positiva 104,0 64,0 8,0 7,69
4.5.2.2 Polaridade Negativa
O ferrofluido 1 foi submetido a impulso atmosférico de polaridade negativa, com
início da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.8) foi construído baseando-se na
primeira disrupção, a qual ocorreu na segunda aplicação da descarga pelo GI em
110 kV. Em aplicações de tensão menores que 110 kV o fluido suportou as
aplicações iniciais, porém puderam ser observadas disrupções em níveis de tensão
menores e maiores que 110 kV para as aplicações subsequentes.
Figura 4.8: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade negativa no Ferrofluido 1
62
Tabela 4.5: Dados estatísticos para o ferrofluido 1 submetido a impulso atmosférico de polaridade negativa
Fluido Média (bc) das
disrupções (kV)
Variância populacional def (kV)
Desvio padrão populacional de (kV)
Coeficiente de variação
populacional (%)
Ferrofluido 1 / Polaridade Negativa
108,9 170,05 1,56 1,43
4.5.3 Ferrofluido 2
4.5.3.1 Polaridade Positiva
O ferrofluido 2 foi submetido a impulso atmosférico de polaridade positiva, com início
da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.9) foi construído baseando-se na
primeira disrupção, a qual ocorreu em 120 kV. Em aplicações de tensão menores
que 120 kV o fluido suportou as aplicações iniciais, porém puderam ser observadas
disrupções em níveis de tensão menores e maiores que 120 kV para as aplicações
subsequentes.
Figura 4.9: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade positiva no Ferrofluido 2
63
Tabela 4.6: Dados estatísticos para o ferrofluido 2 submetido a impulso atmosférico de polaridade positiva
Fluido Média (bc) das
disrupções (kV)
Variância populacional def (kV)
Desvio padrão populacional de (kV)
Coeficiente de variação
populacional (%)
Ferrofluido 2 / Polaridade
Positiva 112,5 143,75 11,99 10,66
4.5.3.2 Polaridade Negativa
O ferrofluido 2 foi submetido a impulso atmosférico de polaridade negativa, com
início da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.10) foi construído baseando-se na
primeira disrupção, a qual ocorreu na terceira aplicação da descarga pelo GI em 100
kV. Em aplicações de tensão menores que 100 kV o fluido suportou as aplicações
iniciais, porém puderam ser observadas disrupções em níveis de tensão maiores
que 100 kV para as aplicações subsequentes.
Figura 4.10: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade negativa no Ferrofluido 2
64
Tabela 4.7: Dados estatísticos para o ferrofluido 2 submetido a impulso atmosférico de polaridade negativa
Fluido Média (bc) das
disrupções (kV)
Variância populacional def (kV)
Desvio padrão populacional de (kV)
Coeficiente de variação
populacional (%)
Ferrofluido 2 / Polaridade Negativa
105,0 25,0 5,0 4,76
4.5.4 Ferrofluido 3
4.5.4.1 Polaridade Positiva
O ferrofluido 3 foi submetido a impulso atmosférico de polaridade positiva, com início
da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.11) foi construído baseando-se na
primeira disrupção, a qual ocorreu na segunda aplicação de descarga pelo GI em
110 kV. Em aplicações de tensão menores que 110 kV o fluido suportou as
aplicações iniciais, porém puderam ser observadas disrupções em níveis de tensão
maiores e menores que 110 kV para as aplicações subsequentes.
Figura 4.11: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade positiva no Ferrofluido 3
65
Tabela 4.8: Dados estatísticos para o ferrofluido 3 submetido a impulso atmosférico de polaridade positiva
Fluido Média (bc) das
disrupções (kV)
Variância populacional def (kV)
Desvio padrão populacional de (kV)
Coeficiente de variação
populacional (%)
Ferrofluido 3 / Polaridade
Positiva 112,86 77,55 8,81 7,80
4.5.4.2 Polaridade Negativa
O ferrofluido 3 foi submetido a impulso atmosférico de polaridade negativa, com
início da aplicação em 60 kV. O gráfico (Figura 4.12) foi constituído baseando-se na
primeira disrupção, a qual ocorreu na segunda aplicação de descarga pelo GI em
130 kV. Em aplicações de tensão menores que 130 kV o fluido suportou as
aplicações iniciais, porém puderam ser observadas disrupções em níveis de tensão
menores que 130 kV para as aplicações subsequentes.
Figura 4.12: Gráfico da aplicação dos impulsos de polaridade negativa no Ferrofluido 3
66
Tabela 4.9: Dados estatísticos para o ferrofluido 3 submetido a impulso atmosférico de polaridade negativa
Fluido Média (bc) das
disrupções (kV)
Variância populacional def (kV)
Desvio padrão populacional de (kV)
Coeficiente de variação
populacional (%)
Ferrofluido 3 / Polaridade Negativa
120,0 66,67 8,16 6,80
4.6 Síntese dos Resultados
A partir da Tabela 4.10, que mostra a síntese dos resultados, deve ser ressaltado
que ocorreu uma inversão na média das disrupções (Xc) para o ferrofluido 3. Em
outras palavras, em todos os outros ensaios, a disrupção, quando a onda possui
polaridade positiva, ocorre em tensões menores em relação a disrupção da onda de
polaridade negativa. Isso reforça a ideia da imprevisibilidade da suportabilidade
dielétrica dos nanofluidos quando submetidos a impulsos atmosféricos, contrariando
a teoria do item 2.6.4, que explica que a formação de descarga ocorre em tensões
menores sob polaridade positiva. Outro dado importante foi o elevado coeficiente de
variação populacional (%) do OIM sob polaridade positiva. Este ensaio poderia ser
descartado e refeito, porém, a disponibilidade de tempo da equipe envolvida e de
fluido para novos ensaios inviabilizou o processo.
67
Tabela 4.10: Tabela completa com todos os resultados dos ensaios
Fluido e polaridade da
descarga
Média (bc) das
disrupções (kV)
Variância Populacional def (kV)
Desvio padrão
populacional de (kV)
Coeficiente de variação
populacional (%)
OIM polaridade
positiva 88,33 380,56 19,51 22,09
OIM polaridade negativa
212,5 193,75 13,91 6,55
Ferrofluido 1 polaridade
positiva 104,0 64,0 8,0 7,69
Ferrofluido 1 polaridade negativa
108,9 170,05 1,56 1,43
Ferrofluido 2 polaridade
positiva 112,86 77,55 8,81 7,80
Ferrofluido 2 polaridade negativa
120,0 66,67 8,16 6,80
Ferrofluido 3 polaridade
positiva 112,5 143,75 11,99 10,66
Ferrofluido 3 polaridade negativa
105,0 25,0 5,0 4,76
Analisando a Figura 4.13, deve ser ressaltado que a suportabilidade dielétrica dos
nanofluidos não diminuiu proporcionalmente com a sua concentração. Nota-se um
aumento da suportabilidade dielétrica do ferrofluido 1 para o ferrofluido 2, e esta
região de concentração é chamada de região ideal do ponto de vista dielétrico. Mais
estudos precisam ser realizados para melhor avaliar a região ideal, determinando
assim a concentração ideal de nanopartículas presentes no nanofluido levando em
conta a sua suportabilidade dielétrica.
68
Figura 4.13: Gráfico da suportabilidade dielétrica dos fluidos submetidos a aplicações de impulsos atmosféricos de polaridade negativa
Analisando a Figura 4.14, pode ser observado que ocorreu o inverso para aplicações
de polaridade positiva se comparado a aplicações de polaridade negativa. Quanto
menor a concentração de partículas ferromagnéticas no nanofluido maior foi a sua
suportabilidade dielétrica. Este gráfico foi construído somente com o intuito de
monstrar a diferença entre as polaridades e não apresenta aplicabilidade no meio
científico, pois como citado no item 2.6, em torno de 85 a 95% das vezes, em
estruturas menores que 100 m, como, por exemplo, linhas de transmissão, o flash é
descendente de polaridade negativa.
69
Figura 4.14: Gráfico da suportabilidade dielétrica dos fluidos submetidos a aplicações de impulsos atmosféricos de polaridade positiva
70
5. CONCLUSÃO
Este trabalho estudou o comportamento do ponto de vista dielétrico de nanofluidos
submetidos a impulsos atmosféricos de polaridades positiva e negativa utilizando as
normas regentes sobre o assunto – ASTM D3300-00 [1] e ABNT NBR IEC 60060-
1:2013 [2] e, como principal equipamento, um gerador de impulsos de 700 kV.
Antes da análise dos resultados, apresentada no capítulo 4, este estudo
proporciona, no capítulo 2, uma visão do isolamento elétrico de transformadores de
potência e conhecimentos sobre os aspectos físicos, químicos e elétricos dos fluidos
utilizados nos ensaios, como o óleo isolante mineral e os nanofluidos.
Foram avaliados quatro tipos de fluidos – óleo isolante mineral AV60IN fabricado
pela Petrobras, e os ferrofluidos 1, 2 e 3, com concentrações diferentes de
nanopartículas magnéticas - o ferrofluido 2 possui metade da concentração do
ferrofluido 1 e o ferrofluido 3, metade da concentração do ferrofluido 2.
O objetivo deste trabalho foi determinar a viabilidade do uso destes fluidos em
transformadores de potência como possível substituto ao óleo isolante mineral.
Após a análise dos resultados deve ser ressaltado que foi notado um
comportamento imprevisível da suportabilidade dielétrica dos nanofluidos, e nenhum
padrão foi constatado. Essa imprevisibilidade tornou a aplicação do método
estatístico de acréscimo e decréscimo descrito pela norma ABNT NBR IEC 60060-
1:2013 [2] inviável. A partir desse conhecimento outros métodos foram utilizados
para avaliação estatística das disrupções, tais como: cálculo da média aritmética,
desvio padrão populacional, variância populacional e coeficiente de variação
populacional. Todos os resultados de descarga para os nanofluidos, com ambas
polaridades, ocorreram em tensões menores de 164 kV citado na literatura vigente
[48].
Os resultados da Tabela 4.10 mostram duas ocorrências de interesse. A primeira foi
a inversão das médias de disrupção das polaridades positiva e negativa para o
71
ferrofluido 3, contrariando o conhecimento sobre física da descarga citada no item
2.6.4, que descreve a ocorrência de descargas com polaridade negativa em tensões
maiores que as descargas com polaridade positiva. A segunda foi o coeficiente de
variação populacional alto do óleo isolante mineral submetido a aplicações de
polaridade negativa, fazendo com que um outro ensaio se torne de interesse para
melhor avaliá-lo.
O Gráfico 4.13 - suportabilidade dielétrica dos fluidos submetidos a aplicações de
polaridade negativa, mostra uma região de concentração denominada de região
ideal, localizada nas proximidades do ferrofluido 2 em questão de concentração e
120 kV de suportabilidade dielétrica.
Analisando todos os resultados, inclusive a região ideal, conclui-se que os
nanofluidos testados ainda não são um substituto viável para óleo isolante mineral
em transformadores de potência. O óleo AV60IN, com suportabilidade dielétrica de
até 230 kV e perfil mais estável quando submetido a aplicações de impulso
atmosférico de polaridade negativa, ainda é a melhor opção dentre os fluidos
analisados.
Contudo, as propostas iniciais deste projeto - testar a viabilidade do uso de um
ferrofluido como possível substituto ao óleo mineral, aprofundar os conhecimentos
na área de isolantes líquidos utilizados em transformadores elétricos, e da utilização
de ferrofluidos como isolante em transformadores - foram alcançadas.
Para trabalhos futuros, indica-se um estudo mais aprofundado da região ideal
utilizando um número maior de amostras de nanofluidos, determinando assim a
concentração ideal de nanopartículas para se obter o melhor resultado do ponto de
vista da suportabilidade dielétrica. Recomendam-se também, estudos ligados a
física da descarga direcionados a nanofluidos, para melhor compreensão da
inversão de valores de disrupção quando submetidos a diferentes polaridades de
aplicação de impulso atmosférico.
72
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